hidrogen mengalir melewati katoda, dan memisahkannya menjadi

15
hidrogen mengalir melewati katoda, dan memisahkannya menjadi hidrogen positif dan
elektron bermuatan negatif. Proton melewati elektrolit (Platinum) menuju anoda tempat
oksigen berada. Sementara itu, elektron bebas bergerak disekeliling sel menuju power
tempat diberikannya beban dan kemudian bercampur kembali dengan oksigen dan
hidrogen pada anoda untuk membentuk air.
Pada proses sederhana tersebut, reaksi yang terjadi pada sel adalah sebagai
berikut:
Pada anoda :
2 H+ + 2e-
H2
1
Pada katoda :
2
secara keseluruhan :
O2 + 2H+ + 2e1
H2 + 2 O2
H2O
H2O
Gambar 2.1 Reaksi Sederhana pada fuel cell
(Fuel cell handbook 7, hal 1.2)
Fuel cell sangat menarik dalam aplikasi modern karena efisiensi tinggi dan
penggunaan yang bebas emisi, berlawanan dengan bahan bakar umum seperti minyak
tanah, bensin dan gas alam yang menghasilkan karbon dioksida. Satu-satunya sisa
produk dari pembangkit yang beroperasi menggunakan hidrogen murni sebagai bahan
bakar ini adalah uap air. Namun ada kekawatiran dalam proses memperoleh hidrogen
16
dikarenakan menggunakan banyak energi. Memproduksi hidrogen membutuhkan
sebuah “carrier” hidrogen (biasanya bahan bakar fosil, meskipun air dapat dijadikan
alternatif), dan juga listrik yang diproduksi dari mesin berbahan bakar konvensional.
Meskipun sumber energi alternatif seperti energi angin dan surya dapat juga digunakan,
namun energi tersebut juga termasuk pada kategori yang sangat mahal.
Dalam keseharian, fuel cell diklasifikasikan dari tipe elektrolitnya, yaitu
sebagai berikut: Proton Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC atau PEFC),
Phosphoric Acid Fuel cell (PAFC), dan Direct Methanol Fuel cell (DMFC). Setiap jenis
fuel cell memiliki kegunaan yang berbeda-beda sesuai temperatur operasinya maupun
skala output atau tempat penggunaan. Contohnya, PAFC dan PEMFC beroperasi pada
suhu relatif rendah dan biasanya digunakan sebagai penyuplai energi untuk mesin-mesin
kogenerasi atau sumber tenaga pada automobile. Dikutip dari buku fundamental Fuel
cell edisi kedua bahwa fuel cell jenis Molten Carbonate Fuel cell (MCFC) dan Solid
Oxide Fuel cell (SOFC) beroperasi pada suhu tinggi yaitu lebih ari 600 °C dan 800 °C
sampai 1000 °C dan biasa digunakan pada pembangkin berukuran sedang (O’hayre
Ryan, dkk. 2009, Fuel Cell Fundamental Second Edition, halaman 272). DMFC
dipergunakan sebagai sumber energi pada telpon seluler dan laptop, karena itulah jenis
yang ini sangat cocok untuk dipasarkan.
2.2 Elektrolisis
Elektrolisis merupakan salah satu metode yang menggunakan arus searah
(DC) untuk memulai reaksi kimia yang spontan pada pemisahan molekul-molekul kimia.
Hal ini juga dilakukan pada pemproduksian hidrogen sebagai bahan bakar fuel cell
dengan memisahkan dua jenis molekul pada air yaitu hidrogen dan oksigen.
Arus listrik searah (DC) yang dialirkan akan menyebabkan terjadinya
perubahan muatan diantara kedua kutub elektroda. Dibagian katoda, air akan terjadi
pemisahaan yang disebabkan karena atom hidrogen kehilangan elektron sedangkan atom
oksigen akan menerima tambahan elektron. Dengan demikian atom oksigen berubah
menjadi ion O2 + e- dan atom hidrogen menjadi H+. Katoda yang dialiri listrik menjadi
17
bermuatan negatif dan akan menarik ion hidrogen, lalu ion-ion tersebut akan menerima
elektron dan berubah menjadi atom netral. Di katoda atom-atom ini bergabung dan
membentuk senyawa H2 yang berbentuk gas. Sedangkan ion oksigen yang bermuatan
negatif tertarik menuju anoda yang bemuatan positif, ion ini akan melepaskan
elektronnya pada anoda dan menjadi atom netral, kemudian berkumpul di anoda dan
bergabung menjadi O2 yang berbentuk gelembung mengambang dan bergerak ke atas,
sehingga reaksi yang terjadi dapat diGambarkan sebagai berikut
Gambar 2.2 Proses Elektrolisis (yanboon, 3 juni 2012,
http://chemicalchangez.blogspot.com/2010/07/chemical-changes-involvingelectricity.html)
2.3 Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC)
Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) adalah salah satu jenis
teknologi yang sedang dikembangkan dengan efisiensi tinggi, tanpa polusi dan bising.
Alat ini secara langsung mengkonversikan bahan bakar kimia seperti methanol (DMFC)
atau hidrogen menjadi energi listrik. Dibandingkan dengan kinerja motor, fuel cell sudah
bekerja dengan efisiensi 1,5 kali lebih tinggi dan menghasilkan panas dengan polusi
yang sangat rendah. PEMFC menggunakan elektrolit yang secara langsung mengalirkan
ion-ion hidrogen (H+) dari anoda menuju katoda (ED Research Institude, PEM Fuel Cell
Trainer ED-974x, Third Edition, 2011). Selain itu pada fuel sel ini tidak dipakai fluida
yang bersifat korosif seperti jenis sel bahan bakar lainnya. Menurut keterangan data
18
yang ada, PEMFC jika dibandingkan dengan tipe fuel cell yang, jenis ini menghasilkan
output listrik dan dapat bekerja pada suhu dibawah 80°C karena material elektrolitnya
hanya bekerja pada suhu yang rendah (EG &G Technical service, inc, 2004, hal. 28),.
Selain itu, fuel cell tipe ini memiliki struktur yang sederhana, pengoperasian yang
mudah, memiliki sifat yang karakteristik, dan memiliki kekuatan yang baik.
Kerapatan daya listrik PEMFC juga lebih baik daripada tipe – tipe yang lain
yaitu 300 – 1000 mW/cm2. Tipe ini juga memiliki keungulan dalam start-up yang
mudah dan on-off juga mudah. Untuk alasan inilah, sangat cocok untuk dipergunakan
dalam kendaraan-kendaraan bermotor dan sumber energi yang efisien.
Berikut adalah reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda PEMFC:
Anode :
H2
2H+ + 2e-
1
O2 + 2H+ + 2e-
Katoda:
2
H2O
Gambar 2.3 Proses pada sel PEMFC.
(http://ekadityalbar.blogspot.com/2012_01_01_archive.html)
Keuntungan PEMFC
a. Memilki kerapatan daya yang lebih besar dari pada fuel cell lain.
19
b. Kemampuan menyalakan dan mematikan (off) yang mudah.
c. Suhu operasi yang rendah hingga memungkinkan tuk dipakai secara
portable.
Kerugian PEMFC
a. Menggunakan katalis platina yang mahal.
b. Membran polimer dan komponen tambahannya yang sangat mahal.
c. Manajemen aliran air yang sering dibutuhkan.
2.4 Komponen PEMFC
Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwaPEMFC memiliki struktur yang
sangat sederhana, hal itu ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Skematic PEMFC
(G. McLean, PEM fuel cell electrodes S. Litster1, hal 26)
2.4.1 Membran (Flouroplastic)
Pada sistem fuel cell terdapat membran sebagai elektrolit yang merupakan
komponen penting dari sistem ini. Fungsi dari membran pada fuel cell adalah sebagai
20
elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran fuel cell menjadi
media perpindahan ion hidrogen dari anoda menuju katoda, sehingga terjadi reaksi yang
menghasilkan energi listrik.
2.4.2 Elektroda
Elektroda adalah lapisan tipis katalis penting yang ditekan diantara membran
dan lapisan pori (saluran oksigen). Elektroda merupakan sebuah layar yang dimana
menjadi tempat terjadinya reaksi elektrokimia. Paling tepatnya, reaksi kimia tersebut
terjadi dipermukaan lapisan katalis. Ada tiga hal yang terlibat dalam proses ini, yaitu gas
(hidrogen), elektron dan proton, reaksi ini memakai tempat pada jumlah luasan katalis
tertentu dimana semua hal diatas dapat masuk. Luasan reaksi bisa juga semakin besar
oleh kekasaran permukaan maupun ukuran partikel serap katalis.
Bagian terpenting pada elektroda PEMFC adalah :
Anoda adalah kutub negative pada fuel cell. Anode merupakan elektroda yang akan
mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen menuju pembebanan. Pada
meterialnya terdapat saluran–saluran gas hidrogen dapat menyebar ke seluruh
permukaan katalis.
Katoda adalah bagian kutub elektroda positif pada fuel cell yang juga memiliki saluran
yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan
dalam mengalirkan elektron dari beban dan menjadi tempat terbentuknya air hasil dari
penggabungan elektron dan ion-ion oksigen.
2.4.3 Lapisan Difusi Gas
Lapisan difusi gas pada PEMFC memastikan semua reaktan dengan efektif
didifusi pada lapisan katalis. Lapisan ini juga merupakan konduktor elektrikal yang
21
menjadi transport elektron menuju dan dari lapisan katalis. Secara khusus, lapisan difusi
gas dirancang dari lembaran karbon rapuh, atau kain karbon, dengan ketipisan 100 300µm (PEM fuel cell electrodes S. Litster1, G. McLean, hal 28). Lapisan difusi gas
juga berfungsi untuk membantu dalam manajemen air dengan membiarkan jumlah air
sesuai kebutuhan, pengadaan pada membrane untuk kekurangan air.
2.4.4 Plat Bipolar
Pelat bipolar atau pelat bidang alir (flow field plate) digunakan sebagai
penghubung antara dua elektroda berbeda kutup. Pelat bipolar dibuat dari material yang
mampu mengalirkan listrik dan tidak dapat ditembus gas, fungsinya sebagai penyimpan
arus dan sebagai struktur penguat rangkain fuel cell. Pelat ini biasanya terbuat dari grafit,
logam (aluminium, stainless steel, titanium, nikel) atau dapat dibuat juga dari komposit.
Saluran alir dicetak pada permukaan pelat sebagai tempat aliran gas-gas yang bereaksi.
Berikut ada beberapa fungsi plat bipolar selain yang disebutkan diatas tadi,
yaitu:
a. Menjadi penghubung susunan komponen-komponen elektrikal.
b. Menjadi pembagi gas pada setiap cell dan bersifat tidak tembus gas.
c. Sebagai bentuk pendukung pada penguat struktur, karena harus cukup kuat dan
pastinya sedikit berat.
d. Sebagai pemindah panas dari cell ke cooling cells, dimana harus terbuat dari
bahan konduktif terhadap panas.
Selain itu bipolar ini harus bersifat anti korosi (Frano Barbir, 2008 PEM Fuel Cell
Theory and Practice. Halaman 34).
2.5 Tegangan, Muatan, Daya dan Efisiensi Kerja Fuel Cell
Reaksi kimia yang terjadi dalam suatu cara tertentu sehingga menyebabkan
elektron mengalir pada suatu rangkaian listrik merupakan peristiwa yang terjadi pada
22
fuel cell. Secara teori reaksi ini terjadi secara isothermal dan reversible. Pada keadaan
biasa dan proses aliran yang tenang serta temperatur yang sama dengan ruangan yaitu 25
C (298 K).
Efisiensi fuel cell secara keseluruhan dapat dihitung dengan mengitung rasio
energi yang dikonsumsi dan energi yang dihasilkan.
𝜂
Total =
Energi listrik yang dihasilkan 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑙𝑙
Energi listrik yang dibutuhkan elektrilizer
x 100%
(2.1)
Tegangan yang dapat diukur pada sel ini merupakan hasil perkalian antara
arus dan hambatan rangkaian.
V=I.R
(2.2)
Muatan listrik yang terdapat dalam suatu rangkaian listrik dapat dinyatakan
sebagai perkalian antara arus dan waktu pemakaiannya, yaitu:
Q=I.t
(2.3)
Sedangkan daya merupakan hasil kali arus yang dihasilkan dengan tegangan
yang ada, yaitu:
P=V.I
Dimana :
V = tegangan (Volt)
I = arus listrik (Ampere)
R = hambatan (ohm)
P = daya (watt)
(2.4)