Fuel Cell

Pada saat ini sel bahan bakar begitu popular dengan berkembangnya teknologi mobil Hybrid seperti Toyoya Prius , ini adalah sebagian kecil tulisan tentang apa itu sel bahan bakar -------------------------------------- Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) 1. Deskripsi Umum Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah device elektrokimia yang mengubah energi kimia ke energi listrik secara kontinu. Pada sebuah baterai biasa , energi kimia yang diubah oleh sebuah sel adalah tetap. Jika bahan bakar (fuel) dan oksidan di baterai telah habis , maka baterai tersebut harus di ganti atau di isi ulang (charge) . Perbedaan mendasar sebuah sel bahan bakar dengan baterai biasa ditentukan dengan supply bahan bakar (oksidan) ke dalam sel . Pada sel bahan bakar , energi dipasok terus menerus , hal ini tidak ubahnya dengan sebuah mesin yang memerlukan bahan bakar untuk mengubah dari energi kimia menjadi energi mekanik. Sedangkan pada sel bahan bakar , energi yang dihasilkan langsung menjadi energi listrik. 2. Sifat Sifat Sel Bahan Bakar Secara Umum Sel bahan bakar ini di klasifikasikan sebagai pembangkit tenaga (power generator) sebab sel bahan bakar ini dapat beroperasi secara kontinu atau selama ada pasokan bahan bakar (fuel) dan oksidan. Karakteristik umum suatu sel bahan bakar adalah sebagai berikut : a. Sangat efisien (>85%) b. Modular (dapat ditempatkan dimana di perlukan ) c. Ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah) d. Panas yang terbuang dapat di recovey e. Bahan bakarnya flexible f. Cocok untuk keperluan unattended operation a) Sangat efisien (>85%) Konversi energi kimia dari bahan bakar ke energi listrik memerlukan tiga (3) langkah proses . Proses yang saat ini banyak digunakan pembangkit tenaga listrik . Ke tiga tahap tersebut adalah : a. Produksi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar b. Konversi dari panas ke energi mekanik c. Konversi energi mekanik ke energi listrik Untuk mesin combusi , tahap a dan b di kombinasikan dengan cara yang umum. Effisiensi pada tahap B terbatas . Effisiensi totalnya hanya sekitar 41% . Pendekatan lain yang digunakan untuk menkonversi energi kimia menjadi energi listrik dengan reaksi elektrokimia dengan supply yang kontinu pada reaktan di dalam sebuah sel galvanik. Device jenis ini dinamakan Fuel Cell atau sel bahan bakar. Pada sel ini tahap b tidak diperlukan lagi sehingga effisiensinya bisa mencapai 85 %. b) Modular (dapat ditempatkan dimana di perlukan ) Sel bahan bakar ini mempunyai rapat energi yang tinggi . Sebuah sel bahan bakar yang dipakai pada salah satu spacecraft atau wahana antariksa dengan berat 30 kg , panjang 63,5 cm dan diameter 31.7 cm dapat mengasilkan energi 1 Kw pada tegangan 26,5 V,dan digunakan selama 14 hari misi di luar angkasa. Dengan rapat energi yang besar dan ukuran (volume ) yang tidak besar , maka sel bahan bakar ini dapat diletakkan di mana diperlukan. c) Ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah) Sel bahan bakar ini bekerja dengan reaksi : Anode H2 - 2H+ + 2e Katode ½ O2 + 2H+ + 2e  H2O Total Reaksi H2 + ½ O2  H2O Secara teoritis , limbah atau emisi yang dihasilkan adalah air (H2O) . Berbeda dengan pada pembakaran biasa dengan menggunakan mesin , dimana limbah yang dihasilan adalah gas gas yang berpotensi untuk mencemari lingkungan seperti Sox , Nox , dan CO. Selain itu jika menggunakan pembangkit daya yang konvensional , polusi kebisingan juga dapat terjadi . Sel bahan bakar ini tidak menghasilkan suara, karena seperti hal nya baterai biasa yang tidak menimbulkan suara , sel bahan bakar ini juga demkian , perbedaannya , jika baterai biasa memerlukan penggantian elektrolit dan pengisian ulang , maka sel bahan bakar tidak memerlukan hal tersebut , akan tetapi jika bahan bakarnya habis , maka sel ini juga tidak dapat berfungsi. Selain itu keuntungan menggunakan sel bahan bakar ini adalah , limbah limbah emisi seperti CO , dapat dimasukkan ke sel ini menghasilkan CO2 dan energi . d) Panas yang terbuang dapat di recovey Ada beberapa jenis sel bahan bakar yang memerlukan suhu operasi diatas 300oC , dan panas yang terbuang dapat di recovery dan dimasukkan kembali ke sel bahan bakar. e) Bahan bakarnya flexible Bahan bakar yang digunakan untuk sel bahan bakar dapat digunakan beberapa macam , kebanyakan menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan bakar dan oksidan nya. Selain menggunakan kedua bahan tersebut , bahan bakar lain yang dicoba digunakan antara lain ammonia , hidrazine, methanol dan batubara. f) Cocok untuk keperluan unattended operation Sel bahan bakar ini sangat cocok digunakan untuk keadaan unattended operation dimana energy dengan rapat energi yang besar diperlukan. Sel bahan bakar ini sangat cocok untuk aplikasi aplikasi yang memerlukan energi terutama di daerah remote yang jauh dari jangkauan listrik. 3. Pengoperasian Sel Bahan Bakar Pada prinsipnya sebuah sel bahan bakar bekerja dengan prinsip diatas . Dua buah elektrode karbon yang tercelup dalam larutan elektrolit (dalam hal ini asam) dan dipisahkan dengan sebuah pemisah gas. Bahan bakar , dalam hal ini hidrogen , di gelembungkan melewati permukaan satu elektrode melewati elektrode lainnya. Ketika kedua elektrode yang secara listrik dihubungkan dengan beban luar , beberapa hal terjadi yaitu : a. Hidrogen menempel pada permukaan katalitik elektrode , membentuk ion ion hidrogen dan elektron elektron. b. Ion ion hidrogen (H+) migrasi melewati elektrolit dan pemisah gas ke permukaan katalitik elektrode oksigen c. Secara simultan, elektron elektron bergerak melewati lintasan luar (external circuit) pada permukaan katalitik yang sama d. Oksigen, ion ion hidrogen , dan elektron bersatu pada permukaan elektrode membentuk air (H2O) Mekanisme reaksi pada sel bahan bakar ini (elektrolit asam dan basa) dapat dilihat pada tabel berikut . Elektrolit Asam Elektrolit Basa Anode H2 - 2H+ + 2e H2 + 2 OH-  2H2O + 2e Katode ½ O2 + 2H+ + 2e  H2O ½ O2 + 2e + H2O  2 OH- Total Reaksi H2 + ½ O2  H2O H2 + ½ O2  H2O Perbedaan mendasar pada secara elektrokimia adalah , konduktor dalam larutan asam adalah ion hidrogen (H+) dan (OH-) atau ion hidroksil dalam elektrolit basa. Pada elektrolit asam , air dihasilkan di katode sedangkan pada sel bahan bakar jenis basa air di hasilkan di anode. Reaksi total yang dihasilkan adalah air dan energi. Reaksi dari satu ekivalen elektrokimia bahan bakar secara teoritis akan menghasilkan 26.8 Ah DC 4. Komponen Komponen Dasar Sel Bahan Bakar Komponen komponen penting dari sebuah sel bahan bakar adalah : a. Anode (elektrode bahan bakar) berfungsi menjadi antar muka untuk bahan bakar , elektrolit, mengkatalisa reaksi oksidasi dan menghubungkan elektron elektron dari tempat reaksi ke beban luar (external circuit). b. Katode (oksigen elektrode) berfungsi sebagai antar muka untuk oksigen dan elektrolit, katalis reaksi reduksi oksigen, dan menghubungkan elektron elektron dari sirkuit luar ke tempat reaksi . c. Elektrolit , berfungsi memindahkan ion ion yang terlibat dalam reaksi reaksi reduksi dan oksidasi dalam sel bahan bakar. Elektrolit ini sangat berpengaruh pada kinerja kerja sel bahan bakar. Komponen komponen lain yang mungkin diperlukan seperti pemisah sel , 5. Karakteristik Karakteristik Umum Unjuk Kerja Sel Bahan Bakar Unjuk kerja sel bahan bakar ditentukan oleh kurva rapat arus terhadap tegangan. Ide dasarnya adalah sebuah sel bahan bakar tunggal H2/O2 yang dapat menghasilkan tegangan 1.23 V pada kondisi ambient. Pada kondisi sesungguhnya , tegangan tersebut kurang dari 1.23 V dan berkurang sejalan dengan naiknya beban (rapat arus). a) Polarisasi aktivasi menunjukkan adanya kehilangan energi yang berhubungan dengan reaksi di elektrode. Kebanyakan zat kimia beraksi melibatkan sebuah energi penghalang (barrier energy) dimana penghalang tersebut harus di lewati supaya reaksi dapat terjadi. Reaksi elektrokimianya, b) Polarisasi ohmic atau polarisasi tahanan menunjukkan jumlah total berkurangnya tahanan dalam sel, termasuk impedansi elektronik yang melewati elektrode elektrode, pertemuan antar muka larutan, pengumpul arus, dan impedansi ionik yang melewati elektrolit. Berkurangnya tahanan ini mengikuti hukum Ohm ohm= iR . dimana ohm = polarisasi tahanan , mV . I = rapat arus , mA/cm2 R = tahanan total sel ,  cm2 c) Polarisasi konsentrasi menunjukkan kehilangan energi yang berkaitan dengan efek perpindahan massa. Unjuk kerja sebuah reaksi pada elektrode mungkin terhambat karena adanya di fusi masuk dan di fusi keluar dari tempat terjadinya reaksi. Pada kenyataannya, beberapa arus, yaitu rapat arus yang terbatas (IL) dapat tercapai dengan proses difusi yang menyeluruh. Polarisasi konsentrasi dapat di hitung dengan : kons= polarisasi konsentrasi, mV R = Suhu , K ..n = jumlah elektron F = bilangan Faraday ..i = rapat arus, mA/cm2 iL = rapat arus terbatas, mA/ cm2 Polarisasi konsentrasi terjadi secara independen pada tiap elektrode, untuk sel total kons (total)= kons(anode) + kons(katode) Total polarisasi pada sel ini menghasilkan tegangan antara 0.5 V dan 0.9 V pada arus 100 hingga 400 mA/cm2 per sel. Unjuk kerja sel bahan bakar dapat ditingkatkan dengan menaikkan suhu dan tekanan parsial. 6. Klasifikasi Sistem Sel Bahan Bakar Sistem sel bahan bakar dapat dibuat dengan beberapa konfigurasi yang berbeda bergantung pada kombinasi dan jenis bahan bakarnya (fuel) dan oksidan. Selain itu jenis sel bahan bakar bergantung juga dengan tipe pemasokan bahan bakarnya ada yang langsung (direct) dan tak langsung (indirect) , jenis elektrolit yang digunakan, suhu opeasional dsb. Beberapa parameter tersebut dapat di lihat di tabel bawah ini : Bahan Bakar Oksidan Suhu (0C) Elektrolit Langsung Tak Langsung Hidrogen Hydride Oksigen Rendah (120) Larutan Asam Hydrazine Ammonia Oksigen (udara) Menengah (120 – 260) Sulfat Ammonia Hydrocarbon Hidrogen peroksida Fosforik Hydrocarbon Methanol Tinggi (260 – 750) Solid Polymer Electrolyte (SPE) Methanol Ethanol Larutan Basa Gas Batubara Batubara Molten Alkaline Larutan karbonat Molten Carbonate Solid Oxide Klasifikasi diatas dapat di terangkan sebagai berikut : Cara Penginjeksian Bahan Bakar a) Langsung ; bahan bakar yang digunakan langsung di oksidasi secara elektrokimia dalam sel bahan bakar dan di umpan langsung (fed) b) Tak langsung; pada jenis ini bahan bakar tidak langsung di masukkan (fed) akan tetapi melalui proses yang memudahkan untuk di oksidasi menjadi gas yang mengandung hidrogen, setelah itu baru dimasukkan ke sel bahan bakar. Bahan Bakar Bahan bakar yang digunakan biasanya bergantung pada jenis sel bahan bakar yang digunakan. Selain itu cara penginjeksian ke sel juga mempengaruhi bahan bakarnya . Langsung (< 1200C) : Hidrogen, Hydrazine, metanol, Tak langsung (< 1200C) : Ammonia (NH3) atau hydrazine Langsung (< 120 - 2600C) : Gas batubara, ammonia Tak langsung (< 120 - 2600C) : Hidrokarbon, metahol. Etanol,batubara Langung (2600C – 7500C ) : Batubara Perbandingan Bahan Bakar Berdasarkan Lokasi Pemakaian Remote (luar angkasa, bawah air) : Hidrogen, hydrazine Militer : hidrokarbon cair, metanol Perbandingan Sistem Elektrolit Terhadap Suhu Berdasarkan Kapasitas Panas Elektrolit Suhu Rendah : Asam Sulfat, larutan polimer padat (SPE) , larutan basa Suhu Menengah : Asam fosfat, larutan basa Suhu Tinggi : molten carbonate, molten alkaline Suhu Sangat Tinggi : Oksida padat (keramik) 7. Deskripsi Sistem Sel Bahan Bakar Pada dasarnya sebuah sel bahan bakar terdiri dari beberapa jenis , diantaranya jenis asam dan jenis basa. Sel bahan bakar jenis asam terdiri dari dari dua jenis yaitu jenis Larutan polimer padat (SPE) dan asam fosfat. Sedangkan jenis basa terdiri dari sel bahan bakar molten carbonate, dan Solid Oxide (oksida padat). a. Sel bahan bakar Jenis Asam Sistem larutan polimer padat (SPE= Solid Polymer Electrolyte) ; Sistem larutan polimer padat (SPE) menggunakan membran penukar ion sebagai elektrolit. Keuntungan menggunakan sistem ini ; a) Elektrolitnya padat , tidak dapat berubah , berpindah atau menguap keluar sistem b) Satu satunya phase padat yang ada adalah air, minimalkan korosi Selain keuntungannya , ada juga kerugian sistem ini antara lain ; b.1) Sistem ini harus jenuh dari air untuk menaikkan unjuk kerja , konsekuensi yang dihadapi adalah sistem ini harus terhindar dari kondisi uap air yang tidak boleh menguap melebihi kecepatan pembentukan produk (air); sel bahan bakar ini beroperasi pada kondisi jangkah 60oC pada tekanan ambient dan 1200C pada tekanan elevated. b.2) SPE ini dapat membeku pada 00C, sehingga untuk kondi seperti ini , sel ini tidak dapat digunakan. Sistem asam fosfat; Sistem asam fosfat beroperasi pada suhu 1500C hingga 220oC. Pada suhu lebih rendah, asam fosfat mempunyai sifat buruk sebagai penghantar listrik. Pada suhu lebih tinggi , kestabilan material (elektrode) menjadi terbatas (karbon dan platina). Keuntungan menggunakan sistem ini adalah ; a) Elektrolit yang digunakan stabil b) Asam fosfat yang digunakan dapat sangat tinggi konsentrasinya ( 100%) dimana pada kondisi ini tekanan uap air sangat rendah dan keadaan tuna (steady state) penggantian air oleh reaktan gas akan selalu sama dengan laju pembentukan air c) Pada 1500C hingga 220oC , unjuk kerja anode sangat baik bahkan pada saat unjuk kerja di katode jelek. Pada kenyataannya , teknologi utama yang dipercaya pada dalam sel jenis ini adalah meningkatkan kemampuan elektrode katode. Sistem ini juga disiapkan untuk menggunakan bahan bakar yang mengandung gas CO. c) Sel bahan bakar Jenis Basa Walaupun kebanyakan sel bahan bakar jenis ini beroperasi pada suhu tinggi ( > 2500C) dengan konsentrasi kalium hidoksida (KOH) 85 %, pada kenyataannya sel ini banyak digunakan pada suhu < 1200C dengan menggunakan konsenteasi KOH antara 35 % - 50 % . Suhu yang lebih rendah tersebut di gunakan karena memperpanjang usia komponen serta elektrolitnya. Sel bahan bakar jenis basa ini di karakterisasikan sebagai berikut : Konduksi ionic di hasilkan oleh ion hidroksi (OH-) Elektrokatalis yang digunakan dapat nikel , perak, oksida logam, spinel, dan logam mulia. Konstruksi material elektrode termasuk karbon, nikel, dan stainless steel Keuntungan menggunakan sel bahan bakar jenis basa antara lain : a) Unjuk kerja elektrode di katode jauh lebih baik daripada elektrode yang sama pada sel bahan bakar jenis asam b) Konstruksi materialnya lebih murah Kerugian menggunakan sistem ini adalah elektrolitnya bereaksi dengan CO2 menghasilkan kalium karbonate (CO-3) . Penggunaan sel jenis ini terbatas , yang terpenting digunakan pada aplikasi aplikasi luar angkasa atau dalam air dengan kondisi bahan bakar hidrogen dan oksigen murni. Sel Bahan Bakar Molten Carbonate Sel jenis ini menggunakan logam logam alkali karbonat (Li, K,Na) sebagai elektrolit. Garam garam jenis ini akan berfungsi sebagai elektrolit hanya jika pada fasa cair, oleh sebab itu sel ini beroperasi pada suhu 6000C – 7000C , dimana kondisi ini adalah diatas titik leleh karbonat. Molten carbonate di karakterisasikan sebagai : Konduksi ionic oleh ion karbonate ; jadi ion karbonate harus terlibat dalam dua reaksi elektrode . ½ O2 + CO2 + 2e  CO23 - (katode) CO23 - + H2  CO2 + H2O + 2e (anode) _____________________________________ + ½ O2 + H2  H2O (total) Akibat dari kondisi ini maka CO2 harus di daur ulang dari anode ke katode. Pada 6000C – 7000C , reaksi elektrode di proses dengan tanpa harus menggunakan katalis yang spesifik. Nikel dan nikel oksida berfungsi dengan baik , sedangkan logam logam mulia tidak. Gambar 3 Keuntungan dengan menggunakan molten carbonate a) Unjuk kerja sel bagus, aktivasi polarisasi rendah b) Pada 6000C – 7000C, jika ada gas CO dalam bahan bakar, akan langsung diubah ke hidrogen pada anode melalui mekanisme reaksi gas air CO + H2  CO2 + H2 c) Panas sisa dari bahan bakar dapat digunakan untuk keperluan lain (industri) Kerugian menggunakan sistem ini ; a) Pada suhu tinggi material yang digunakan , kurang dapat bertahan lama b) Sejumlah CO2 diperlukan untuk menyelesaikan reaksi pada katode (biasanya ini dilakukan dengan cara memasukkan kembali CO2 dari keluaran anode ke jalan masuk katode. Sel bahan bakar jenis ini sangat cocok digunakan di pada pembangkit listrik yang menggunakan batubara sebahai bahan bakarnya. Sel Bahan Bakar Oksida Padat (keramik oksida) Sel bahan bakar ini adalah sel bahan bakar yang padat , elektrolitnya adalah logam oksida yang melewatkan / menghantarkan ion melewati lattice crystal . Zirconia yang stabil biasanya digunakan sebagai elektrolit. Sel ini beroperasi pada suhu 9000C – 10000C . Sel ini biasanya di konifgurasikan ke dalam bentuk tubular. Seperti pada gambar berikut : Katode menggunakan logam oksida seperti oksida praseodymium atau oksida indium ; anode biasanya menggunakan nikel Karena digunakan pada suhu tinggi , konstruksi materialnya biasanya keramik atau oksida logam Sel bahan bakar jenis ini memiliki keuntungan hampir sama dengan sel jenis molten carbonate , mempunyai unjuk kerja yang baik dengan bahan bakar hidrogen atau hidrogen yang bercampur dengan karbon monoksida, tidak memerlukan katalis jenis logam mulia dan kemampuan untuk menahan panas suhu tinggi. Kekurangan dari sel jenis ini adalah pengoperasiannya pada suhu sangat tinggi  10000C Sel jenis ini banyak digunakan sebagai baterai untuk wahan antariksa .