Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah salah satu dari beberapa jenis sel bahan bakar
yang menggunakan membran penukar proton (proton exchange membrane (PEM)) sebagai
penghubung antara reaksi katoda dan anoda. Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC)
telah dianggap sebagai bahan bakar ideal sistem sel karena menghasilkan tenaga listrik
dengan konversi langsung metanol bahan bakar pada anoda sel bahan bakar.
DMFC merupakan fuel cell jenis proton exchange membrane (PEM) yang merubah
secara langsung metanol menjadi energi listrik melalui suatu proses kimia. Prinsip kerja
DMFC adalah metanol dan air bereaksi pada anoda menghasilkan karbon dioksida, proton,
dan elektron. Selanjutnya proton bermigrasi melalui elektrolit polimer (misalnya nafion)
menuju katoda kemudian bereaksi dengan oksigen dari udara menghasilkan air. Pada
umumnya DMFC beroperasi pada temperatur sekitar 80 oC dengan efisiensi antara 40–50%.
Ini lebih menarik dibanding hidrogen konvensional sel bahan bakar, terutama untuk
aplikasi transportasi, yang mengandalkan sistem pembaharu yang besar dan tidak responsif
untuk mengubah metanol, atau lainnya bahan bakar hidrokarbon, sampai hidrogen.
Sesuai namanya, membran ini menggunakan metanol sebagai sumber energi. Tidak
seperti sel bahan bakar hidrogen cair, asam posfat, maupun larutan alkaline. Sel bahan bakar
ini langsung memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi, sehingga metanol tidak
perlu dirubah dahulu menjadi bentuk lain sebelum dapat menghasilkan energi. Inilah yang
dimaksud dengan kata-kata “direct”.
Keterbatasan utama adalah kinerja anoda yang membutuhkan sangat efisien katalis
oksidasi metanol. Bahan katalis semacam itu telah dicari, dan itu muncul bahwa hanya bahan
berbasis platinum yang menunjukkan aktivitas yang masuk akal dan stabilitas yang
dibutuhkan. Aplikasi baru elektrolit membran pertukaran proton telah memperpanjang suhu
operasional DMFC di luarnya yang dapat dicapai dengan elektrolit cair tradisional, dan
sehingga menyebabkan mayor peningkatan kinerja selama lima tahun terakhir.
Skema DMFC
Komponen dasar dari sel bahan bakar ini adalah dua buah elektroda (katoda dan anoda)
yang dipisahkan oleh sebuah membran. Uniknya, katoda langsung bertindak sebagai katalis
(elektrokatalis) yang mempercepat terjadinya reaksi perubahan metanol di anoda. Katalis
yang biasanya digunakan adalah Platina (Pt).
Seperti terlihat pada gambar, disisi anoda metanol dan air diinjeksikan ke dalam batch
reaksi dengan kecepatan konstan. Tumbukan dengan katalis membantu terjadi reaksi konversi
metanol secara katalitik menjadi proton, CO2 dan elektron. Gas CO2 di keluarkan dari sistem
sementara proton bergerak menyeberangi membran menuju katoda yang kemudian bereaksi
dengan oksigen menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda menghasilkan beda potensial
yang memaksa elektron dari reaksi konversi tersebut mengalir dalam sebuah sirkuit arus,
dipakai sebagai arus searah oleh peralatan elektronik, kemudian sampai di katoda sehingga
menyempurnakan reaksi pembentukan molekul air. Jelas terlihat di sini, limbah yang
dihasilkan dari bahan bakar ini adalah air dan gas CO2 dalam jumlah yang kecil.
Kelebihan lain dalam proses sel bahan bakar metanol ini adalah efisiensi energinya yang
cukup tinggi (melebihi 60%) serta panas yang dihasilkan akibat proses reaksi sangat kecil
sekali. Dua faktor ini sangat penting dalam pemakaian peralatan elektronik untuk jangka
waktu yang lama. Panas yang kecil menjamin keamanan dan kenyamanan pengguna selama
pemakaian.
Nafion (asam poliperfluoro sulfonat ionomer)
Nafion tergolong dalam ionomer. Ionomer berarti polimer yang memiliki sifat-sifat ionik.
Monomer dari senyawa ini terdiri atas kerangka fluorokarbon yang bersifat hidrofobik dan
gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofilik. Gugus sulfonat merupakan super
asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke katoda sementara kation dan
anion lainnya tidak diizinkan lewat.
Baru-baru ini Yushan Yan dkk. dari University of Californias Riverside berhasil
memodifikasi membran nafion mengggunakan metoda infiltrasi. Pori-pori membran yang
semula berdiameter 40 nm diperkecil menjadi 10 nm dengan cara mengisikan nanopartikel
zeolit beta sintetis ke dalam pori tersebut. Pengujian selanjutnya menunjukan peningkatan
permeabilitas metanol dan konduktivitas yang signifikan (hingga 40%). Semakin permeabel
membrannya berarti makin sulit metanol lewat sementara proton makin mudah menyeberang
H+ yang dihasilkan makin banyak sehingga daya tahan baterai lebih lama. Begitu banyak
kelebihan yang ditawarkan oleh DMFC.
Dari segi efisinesi energi dan daya tahan jelas sel ini memenuhi syarat dipakai sebagai
baterai alat-alat elektronik portabel. Densitas energi dari baterai juga dapat diatur sedemikian
rupa sehingga daya keluarannya sesuai dengan kebutuhan alat elektronik bersangkutan.
Ukuran baterai untuk sel ini bisa dibuat sangat kecil sehingga tidak jauh berbeda dengan
baterai konvensional yang telah ada sebelumnya seperti baterai ion litium.
Adanya penggunaan metanol sebagai sumber energi alternatif ikut membantu proses
penghematan bahan bakar fosil. Metanol dapat diproduksi secara massal menggunakan
metode Fisher Tropsch. Metode ini untuk mereaksikan campuran dari karbon monoksida dan
hidrogen menjadi hidrokarbon cair. Secara teoritis metanol juga memungkinkan untuk
disintesis secara langsung dari karbon dioksida dan air melalui proses elektrokimia. Yang
paling menarik tentu saja proses isi ulang baterai yang sangat singkat (hanya dalam hitungan
menit saja). Berbeda dengan baterai yang umum sekarang, baterai DMFC tidak memerlukan
arus listrik untuk pengisian ulang tetapi cukup mengisikan metanol ke dalam baterai
menggunakan sebuah filler khusus. Dalam waktu singkat baterai dapat langsung digunakan
kembali dan tidak perlu menunggu berjam-jam, hemat listrik dan aman.
Saat ini DMFC sudah mulai diaplikasikan dalam berbagai bidang. Toshiba dan Samsung
misalnya, telah merintis penggunaan baterai DMFC untuk produk-produk terbaru mereka.
Bahkan Toshiba sudah berhasil membuat laptop berbaterai DMFC dan akan dipasarkan mulai
akhir tahun 2007. Konon baterai yang memakai 1 ml metanol 99,5% tersebut dapat bertahan
selama 10 jam. Negara-negara maju seperti Kanada, Amerika serikat dan Jepang diperkirakan
akan segera menerapkan penggunaan baterai DMFC untuk instalasi sumber energi tertentu.
Negara–negara ini mengeluarkan dana yang cukup besar untuk melakukan penelitian dan
pengembangan teknologi DMFC termasuk produksi metanol itu sendiri. Diperkirakan dalam
beberapa tahun yang akan datang DMFC sudah lazim digunakan pada semua jenis peralatan
elektronik semisal pisau cukur, laptop, handphone, walkman, mesin pemotong rumput,
kendaraan bermotor, kereta api bahkan sumber tenaga cadangan untuk rumah sakit, bandara,
perumahan dan stasiun kereta api.
Pengaplikasian dari DMFC juga sedang diarahkan ke arah otomotif. Mobil fuel cell atau
Fuel Cell Vehicles (FCV’s), merupakan kendaraan bermotor dengan mesin penggerak fuel
cell. Sasaran utama pengembangan ini adalah pada penggunaan mesin berteknologi DMFC.
Kendaraan bermotor dengan mesin penggerak ini disebut Direct Methanol Fuel Cell Vehicles
(DMFCV’s).
Ada banyak keuntungan dari penggunaan teknologi ini untuk kendaraan bermotor, antara
lain ramah lingkungan, bersih, aman, dan resiko yang relatif kecil. FCV’s sangat kecil
melepaskan COx dan NOx ke lingkungan dan mempunyai resiko terbakar yang cukup kecil
dibandingkan dengan mobil mesin bakar ICE (Internal Combustion Engine). Satu hal yang
cukup mengesankan adalah unjuk kerja FCV’s sangat baik saat berjalan dan berhenti. Hal ini
tidak dimiliki oleh mobil dengan sistem mesin konvensional ICE. Dari hasil penelitian yang
dilakukan oleh Argonne National Laboratory diperkirakan bahwa mobil fuel cell mempunyai
efisiensi energi 2,1–2,6 kali lebih besar dari mobil ICE sedangkan data menurut The Pembina
Institute diperkirakan 1,76 kali lebih besar dari sistem ICE.
Beberapa perusahaan yang telah dan sedang mengembangkan FCV’s antara lain Daimler
Chrysler, BMW, Ford Motor Company, Mazda, Toyota , Honda, Nissan, General Motor/
Opel, dan Renault.
Senyawa
Titik Beku
Titik Didih
Beracun/tidak
Larut dalam air/tidak
Poli isobutilena
-54 oC
-
Tidak beracun
Tidak larut dalam air.
Larut dalam pelarut
non-polar
Silicon rubber
(poli dimetil
siloksan)
5 oC
>200 oC
Beracun
Tidak larut dalam air
dingin
Etilen glikol
-12,9 oC
197,3 oC
Beracun
Larut dalam air
Xylene
-47,7 oC
138,5 oC
Beracun
Tidak larut dalam air.
Larut dalam alkohol
absolut, eter, dan banyak
cairan organik lainnya
Methanol
–97 oC
64,7 oC
Beracun
Larut dalam air
THF
(Tetrahydrofuran)
-108,4 oC
66 oC
Beracun
Larut dalam air
Piridin
−41,6 oC
115,6 oC
Beracun
Larut dalam air
Butyl cellosolve
-77 oC
171oC
Beracun
Sebagian larut dalam air
dingin
Diaseton alkohol
-47 oC
166 oC
Beracun
Larut dalam air dingin
Aseton
-95,35 oC
56,53 oC
Beracun
Larut dalam berbagai
perbandingan
Larut dalam air
MEK
(Metil etil keton)
-86 C
79,64 C
Tidak beracun.
Beracun pada
fase gas
Cellosolve
acetate
-61,7 oC
156 oC
Beracun
Larut dalam air dingin
Toluene
-93 oC
110,6 oC
Beracun
Sebagian larut dalam air
dingin
Etil asetat
-83,6 oC
77,1 oC
Tidak beracun
Larut dalam air
Etilen diklorida
-35,3 oC
83,5 oC
Beracun
Sangat sedikit larut
dalam air dingin
o
o
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah salah satu dari beberapa jenis sel bahan bakar
yang menggunakan membran penukar proton (proton exchange membrane (PEM)) sebagai
penghubung antara reaksi katoda dan anoda. Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC)
telah dianggap sebagai bahan bakar ideal sistem sel karena menghasilkan tenaga listrik
dengan konversi langsung metanol bahan bakar pada anoda sel bahan bakar.
DMFC merupakan fuel cell jenis proton exchange membrane (PEM) yang merubah
secara langsung metanol menjadi energi listrik melalui suatu proses kimia. Prinsip kerja
DMFC adalah metanol dan air bereaksi pada anoda menghasilkan karbon dioksida, proton,
dan elektron. Selanjutnya proton bermigrasi melalui elektrolit polimer (misalnya nafion)
menuju katoda kemudian bereaksi dengan oksigen dari udara menghasilkan air. Pada
umumnya DMFC beroperasi pada temperatur sekitar 80 oC dengan efisiensi antara 40–50%.
Ini lebih menarik dibanding hidrogen konvensional sel bahan bakar, terutama untuk
aplikasi transportasi, yang mengandalkan sistem pembaharu yang besar dan tidak responsif
untuk mengubah metanol, atau lainnya bahan bakar hidrokarbon, sampai hidrogen.
Sesuai namanya, membran ini menggunakan metanol sebagai sumber energi. Tidak
seperti sel bahan bakar hidrogen cair, asam posfat, maupun larutan alkaline. Sel bahan bakar
ini langsung memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi, sehingga metanol tidak
perlu dirubah dahulu menjadi bentuk lain sebelum dapat menghasilkan energi. Inilah yang
dimaksud dengan kata-kata “direct”.
Keterbatasan utama adalah kinerja anoda yang membutuhkan sangat efisien katalis
oksidasi metanol. Bahan katalis semacam itu telah dicari, dan itu muncul bahwa hanya bahan
berbasis platinum yang menunjukkan aktivitas yang masuk akal dan stabilitas yang
dibutuhkan. Aplikasi baru elektrolit membran pertukaran proton telah memperpanjang suhu
operasional DMFC di luarnya yang dapat dicapai dengan elektrolit cair tradisional, dan
sehingga menyebabkan mayor peningkatan kinerja selama lima tahun terakhir.
Skema DMFC
Komponen dasar dari sel bahan bakar ini adalah dua buah elektroda (katoda dan anoda)
yang dipisahkan oleh sebuah membran. Uniknya, katoda langsung bertindak sebagai katalis
(elektrokatalis) yang mempercepat terjadinya reaksi perubahan metanol di anoda. Katalis
yang biasanya digunakan adalah Platina (Pt).
Seperti terlihat pada gambar, disisi anoda metanol dan air diinjeksikan ke dalam batch
reaksi dengan kecepatan konstan. Tumbukan dengan katalis membantu terjadi reaksi konversi
metanol secara katalitik menjadi proton, CO2 dan elektron. Gas CO2 di keluarkan dari sistem
sementara proton bergerak menyeberangi membran menuju katoda yang kemudian bereaksi
dengan oksigen menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda menghasilkan beda potensial
yang memaksa elektron dari reaksi konversi tersebut mengalir dalam sebuah sirkuit arus,
dipakai sebagai arus searah oleh peralatan elektronik, kemudian sampai di katoda sehingga
menyempurnakan reaksi pembentukan molekul air. Jelas terlihat di sini, limbah yang
dihasilkan dari bahan bakar ini adalah air dan gas CO2 dalam jumlah yang kecil.
Kelebihan lain dalam proses sel bahan bakar metanol ini adalah efisiensi energinya yang
cukup tinggi (melebihi 60%) serta panas yang dihasilkan akibat proses reaksi sangat kecil
sekali. Dua faktor ini sangat penting dalam pemakaian peralatan elektronik untuk jangka
waktu yang lama. Panas yang kecil menjamin keamanan dan kenyamanan pengguna selama
pemakaian.
Nafion (asam poliperfluoro sulfonat ionomer)
Nafion tergolong dalam ionomer. Ionomer berarti polimer yang memiliki sifat-sifat ionik.
Monomer dari senyawa ini terdiri atas kerangka fluorokarbon yang bersifat hidrofobik dan
gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofilik. Gugus sulfonat merupakan super
asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke katoda sementara kation dan
anion lainnya tidak diizinkan lewat.
Baru-baru ini Yushan Yan dkk. dari University of Californias Riverside berhasil
memodifikasi membran nafion mengggunakan metoda infiltrasi. Pori-pori membran yang
semula berdiameter 40 nm diperkecil menjadi 10 nm dengan cara mengisikan nanopartikel
zeolit beta sintetis ke dalam pori tersebut. Pengujian selanjutnya menunjukan peningkatan
permeabilitas metanol dan konduktivitas yang signifikan (hingga 40%). Semakin permeabel
membrannya berarti makin sulit metanol lewat sementara proton makin mudah menyeberang
H+ yang dihasilkan makin banyak sehingga daya tahan baterai lebih lama. Begitu banyak
kelebihan yang ditawarkan oleh DMFC.
Dari segi efisinesi energi dan daya tahan jelas sel ini memenuhi syarat dipakai sebagai
baterai alat-alat elektronik portabel. Densitas energi dari baterai juga dapat diatur sedemikian
rupa sehingga daya keluarannya sesuai dengan kebutuhan alat elektronik bersangkutan.
Ukuran baterai untuk sel ini bisa dibuat sangat kecil sehingga tidak jauh berbeda dengan
baterai konvensional yang telah ada sebelumnya seperti baterai ion litium.
Adanya penggunaan metanol sebagai sumber energi alternatif ikut membantu proses
penghematan bahan bakar fosil. Metanol dapat diproduksi secara massal menggunakan
metode Fisher Tropsch. Metode ini untuk mereaksikan campuran dari karbon monoksida dan
hidrogen menjadi hidrokarbon cair. Secara teoritis metanol juga memungkinkan untuk
disintesis secara langsung dari karbon dioksida dan air melalui proses elektrokimia. Yang
paling menarik tentu saja proses isi ulang baterai yang sangat singkat (hanya dalam hitungan
menit saja). Berbeda dengan baterai yang umum sekarang, baterai DMFC tidak memerlukan
arus listrik untuk pengisian ulang tetapi cukup mengisikan metanol ke dalam baterai
menggunakan sebuah filler khusus. Dalam waktu singkat baterai dapat langsung digunakan
kembali dan tidak perlu menunggu berjam-jam, hemat listrik dan aman.
Saat ini DMFC sudah mulai diaplikasikan dalam berbagai bidang. Toshiba dan Samsung
misalnya, telah merintis penggunaan baterai DMFC untuk produk-produk terbaru mereka.
Bahkan Toshiba sudah berhasil membuat laptop berbaterai DMFC dan akan dipasarkan mulai
akhir tahun 2007. Konon baterai yang memakai 1 ml metanol 99,5% tersebut dapat bertahan
selama 10 jam. Negara-negara maju seperti Kanada, Amerika serikat dan Jepang diperkirakan
akan segera menerapkan penggunaan baterai DMFC untuk instalasi sumber energi tertentu.
Negara–negara ini mengeluarkan dana yang cukup besar untuk melakukan penelitian dan
pengembangan teknologi DMFC termasuk produksi metanol itu sendiri. Diperkirakan dalam
beberapa tahun yang akan datang DMFC sudah lazim digunakan pada semua jenis peralatan
elektronik semisal pisau cukur, laptop, handphone, walkman, mesin pemotong rumput,
kendaraan bermotor, kereta api bahkan sumber tenaga cadangan untuk rumah sakit, bandara,
perumahan dan stasiun kereta api.
Pengaplikasian dari DMFC juga sedang diarahkan ke arah otomotif. Mobil fuel cell atau
Fuel Cell Vehicles (FCV’s), merupakan kendaraan bermotor dengan mesin penggerak fuel
cell. Sasaran utama pengembangan ini adalah pada penggunaan mesin berteknologi DMFC.
Kendaraan bermotor dengan mesin penggerak ini disebut Direct Methanol Fuel Cell Vehicles
(DMFCV’s).
Ada banyak keuntungan dari penggunaan teknologi ini untuk kendaraan bermotor, antara
lain ramah lingkungan, bersih, aman, dan resiko yang relatif kecil. FCV’s sangat kecil
melepaskan COx dan NOx ke lingkungan dan mempunyai resiko terbakar yang cukup kecil
dibandingkan dengan mobil mesin bakar ICE (Internal Combustion Engine). Satu hal yang
cukup mengesankan adalah unjuk kerja FCV’s sangat baik saat berjalan dan berhenti. Hal ini
tidak dimiliki oleh mobil dengan sistem mesin konvensional ICE. Dari hasil penelitian yang
dilakukan oleh Argonne National Laboratory diperkirakan bahwa mobil fuel cell mempunyai
efisiensi energi 2,1–2,6 kali lebih besar dari mobil ICE sedangkan data menurut The Pembina
Institute diperkirakan 1,76 kali lebih besar dari sistem ICE.
Beberapa perusahaan yang telah dan sedang mengembangkan FCV’s antara lain Daimler
Chrysler, BMW, Ford Motor Company, Mazda, Toyota , Honda, Nissan, General Motor/
Opel, dan Renault.
Senyawa
Titik Beku
Titik Didih
Beracun/tidak
Larut dalam air/tidak
Poli isobutilena
-54 oC
-
Tidak beracun
Tidak larut dalam air.
Larut dalam pelarut
non-polar
Silicon rubber
(poli dimetil
siloksan)
5 oC
>200 oC
Beracun
Tidak larut dalam air
dingin
Etilen glikol
-12,9 oC
197,3 oC
Beracun
Larut dalam air
Xylene
-47,7 oC
138,5 oC
Beracun
Tidak larut dalam air.
Larut dalam alkohol
absolut, eter, dan banyak
cairan organik lainnya
Methanol
–97 oC
64,7 oC
Beracun
Larut dalam air
THF
(Tetrahydrofuran)
-108,4 oC
66 oC
Beracun
Larut dalam air
Piridin
−41,6 oC
115,6 oC
Beracun
Larut dalam air
Butyl cellosolve
-77 oC
171oC
Beracun
Sebagian larut dalam air
dingin
Diaseton alkohol
-47 oC
166 oC
Beracun
Larut dalam air dingin
Aseton
-95,35 oC
56,53 oC
Beracun
Larut dalam berbagai
perbandingan
Larut dalam air
MEK
(Metil etil keton)
-86 C
79,64 C
Tidak beracun.
Beracun pada
fase gas
Cellosolve
acetate
-61,7 oC
156 oC
Beracun
Larut dalam air dingin
Toluene
-93 oC
110,6 oC
Beracun
Sebagian larut dalam air
dingin
Etil asetat
-83,6 oC
77,1 oC
Tidak beracun
Larut dalam air
Etilen diklorida
-35,3 oC
83,5 oC
Beracun
Sangat sedikit larut
dalam air dingin
o
o