BAB II GAMBARAN UMUM TEKNOLOGI SEL BAHAN BAKAR

BAB II
GAMBARAN UMUM TEKNOLOGI SEL BAHAN BAKAR
2.1. Pendahuluan
Sel Bahan Bakar adalah alat konversi elektrokimia yang secara kontinyu mengubah
energi kimia dari bahan bakar dan oksidan menjadi energi listrik. Prinsip kerja Sel
Bahan Bakar serupa dengan prinsip kerja baterai. Perbedaan antara baterai dan Sel
Bahan Bakar adalah letak sumber energi kimianya. Pada baterai, sumber energinya
terletak di dalam baterai, sedangkan sumber energi kimia Sel Bahan Bakar dipasok
dari luar. Selama selnya dipasok dengan bahan bakar dan oksidan, daya listrik akan
dihasilkan.
Sumber energi kimia Sel Bahan Bakar adalah segala macam bahan bakar gas dan
oksidan yang dapat dioksidasi dan direduksi secara elektrokimia. Namun, pada
umumnya bahan bakar digunakan adalah hidrogen, karena memiliki reaktivitas
elektrokimia yang tinggi serta dapat dihasilkan dari hidrokarbon, alkohol, atau
batubara. Sedangan oksidan yang digunakan adalah oksigen, baik yang murni
maupun yang berasal dari udara bebas.
Sel Bahan Bakar memiliki prospek yang baik di masa depan. Keunggulan utama
yang dimiliki Sel Bahan Bakar adalah segi efisiensi yang tinggi dan rendahnya
polutan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan konversi energi terjadi secara langsung
dari energi kimia menjadi energi listrik, sedangkan pada pembangkit biasa, energi
kimia diubah menjadi energi kalor, energi mekanik, dan akhirnya menghasilkan
energi listrik. Selain itu, energi listrik pada Sel Bahan Bakar dihasilkan dari reaksi
elektrokimia sehingga polutan yang dihasilkan relatif amat rendah (bahkan pada jenis
Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton tidak ada polusi sama sekali) [1].
6
2.2. Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar [1][4] [15]
Sel Bahan Bakar memiliki jenis yang beragam dengan tingkat pengembangan dan
aplikasi yang berbeda pula. Jenis Sel Bahan Bakar dapat dibedakan berdasarkan
beberapa karakteristik, diantaranya adalah jenis elektrolit dan bahan bakar yang
digunakan.
Pemilihan tipe elektolit mempengaruhi perbedaan temperatur kerja masing-masing
Sel Bahan Bakar. Temperatur kerja dari sel tersebut juga akan mempengaruhi tipe
material lain yang digunakan seperti elektroda, elektrolit, katalis dan lain-lain.
Temperatur kerja juga mempengaruhi tingkat pemrosesan bahan bakar sebelum
masuk ke dalam unit cell. Dalam Sel Bahan Bakar bertemperatur rendah, semua
bahan bakar harus dikonversikan menjadi hidrogen.
Sel Bahan Bakar juga dapat diklasifikasikan berdasarkan proses yang terjadi. Sel
Bahan Bakar dibagi menjadi langsung, tidak langsung, dan regeneratif. Sel Bahan
Bakar langsung dapat diartikan sebagai Sel Bahan Bakar yang langsung
menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar yang akan diproses, sedangkan Sel
Bahan Bakar tidak langsung memakai bahan bakar hidrokarbon lain yang terlebih
dahulu diubah menjadi hidrogen. Sedangkan Sel Bahan Bakar regeneratif adalah tipe
Sel Bahan Bakar yang menggunakan kembali produk yang dihasilkan dalam proses
selanjutnya.
Klasifikasi Sel Bahan Bakar yang umum berdasarkan tipe elektrolit dan bahan bakar
diantaranya :
•
Alkaline Fuel Cell (AFC) / Sel Bahan Bakar Alkali
•
Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) / Sel Bahan Bakar Asam Fosfat
•
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) / Sel Bahan Bakar Karbon
•
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) / Sel Bahan Bakar Oksida Padat
•
Direct Methanol Fuel Cell Sel (DMFC) / Sel Bahan Bakar Metanol
•
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) / Sel Bahan Bakar
Membran Pertukaran Proton
7
2.2.1. Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC)
Sel Bahan Bakar Alkali menggunakan potasium hidroksida sebagai elektrolit.
Konsentrasinya berkisar antara 30-45% tergantung pada sistem. Reaksi kimia yang
terjadi ialah :
Pada Anoda
: 2H 2 (g) + 4(OH)- (aq) → 4H 2 O(l) + 4e-
Pada Katoda : O2 (g) + 2H 2 O(l) + 4e- → 4(OH)- (aq)
Keseluruhan : 2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O(l)
Gambar 2.1 Skema Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC)
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa ion hidroksil (OH-) ditransfer dari katoda ke
anoda melalui elektrolit sedangkan elektron mengalir melalui rangkaian listrik
eksternal/beban. Ion hidroksil akan bereaksi dengan hidrogen dan membentuk air
serta mengalirkan elektron.
2.2.2. Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Sel Bahan Bakar Asam Fosfat menggunakan asam fosfat sebagai elektrolitnya. Sel
Bahan Bakar Asam Fosfat ini merupakan jenis yang paling awal dikomersialkan.
Kelebihannya adalah dapat mentoleransi ketidakmurnian hidrogen, Sel Bahan Bakar
Asam Fosfat dapat mentoleransi adanya Karbon Monoksida (CO) sebesar 1,5%
sehingga jenis bahan bakar yang dapat digunakan beragam. Kekurangannya adalah
daya yang dihasilkannya lebih rendah dibandingkan jenis yang lain. Skema kerja
PAFC ditunjukkan pada Gambar 2.2.
8
Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda
: H 2 (g) → 2H + (aq) + 2e-
Pada Katoda :
1
2
O2 (g) + 2H + (aq) + 2e- → H 2 O(l)
Keseluruhan : H 2 (g) +
1
2
O 2 (g) → H 2 O(l)
2.2.3. Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Sel Bahan Bakar Karbonat menggunakan senyawa sodium/magnesium karbonat
bersuhu tinggi sebagai elektrolit. Sel Bahan Bakar ini menggunakan hidrogen,
karbon monoksida, gas alam, propana, dan hasil gasifikasi batubara sebagai bahan
bakar. Dapat bekerja pada suhu yang tinggi (antara 620-660oC) sehingga
memungkinkan efisiensi yang tinggi jika kalornya dimanfaatkan serta fleksibilitas
dalam menggunakan bahan bakar dan katalis. Namun suhu yang tinggi juga
menyebabkan risiko karat dan kerusakan komponen yang tinggi serta tidak cocok
untuk penggunaan di perumahan. Skema kerjanya ditunjukkan pada Gambar 2.3:
9
Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda
: H 2 (g) + CO32- → H 2O(g) + CO 2 (g) + 2e-
Pada Katoda :
1
2
O 2 (g) + CO2 (g) + 2e- → CO32-
Keseluruhan : H 2 (g) +
1
2
O2 (g) + CO 2 (g) → H 2 O(g) + CO2 (g)
2.2.4. Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Sel Bahan Bakar Oksida Padat menggunakan senyawa keramik seperti Zirkonium
Oksida atau Kalsium Oksida sebagai elektrolit. Suhu operasinya bisa mencapai
1000oC. Sel Bahan Bakar ini sangat cocok untuk pembangkitan daya-daya besar.
Suhu operasi yang tinggi menyebabkan efisiensi konversi daya yang tinggi dengan
memakai sistem hybrid dimana kalornya dimanfaatkan untuk jenis pembangkit yang
lain seperti turbin uap atau turbin gas. Kemampuan ini memungkinkan Sel Bahan
Bakar Oksida Padat menghasilkan daya sampai 100MW. Skema kerjanya
ditunjukkan pada Gambar 2.4:
10
Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda
: H 2 (g) + O 2- → H 2 O(g) + 2e-
Pada Katoda :
1
2
O2 (g) + 2e- → O 2-
Keseluruhan : H 2 (g) +
1
2
O2 (g) → H 2 O(g)
2.2.5. Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Sel Bahan Bakar Metanol menggunakan material elektrolit membran polimer, yang
digunakan juga oleh PEMFC. Sel Bahan Bakar ini menggunakan methanol (CH3OH)
cair sebagai bahan bakar. Methanol dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang lebih
mudah disimpan dan berpindah tempat sehingga aplikasinya adalah pada peralatan
listrik yang portable. Skema kerja Sel Bahan Bakar Metanol ditunjukkan pada
Gambar 2.5:
11
Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda
: CH 3OH(l) + H 2 O(l) → CO 2 (g) + 6H + + 2e-
Pada Katoda : 6H + +
3
2
O 2 (g) + 6e- → 3H 2 O(l)
Keseluruhan : CH3OH(l) +
3
2
O2 (g) → CO2 (g) + 2H 2 O(l)
2.2.6. Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange
Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton mempunyai nama lain, yakni Polymer
Electrolyte Fuel Cell karena elektrolitnya terbuat dari polimer. Pada Sel Bahan Bakar
jenis ini terjadi pertukaran proton yang ditransfer melalui elektrolit yang berada di
antara anoda dan katoda. Elektrolit ini terbuat dari material polimer yang bisa
melewatkan ion. PEMFC menggunakan hidrogen murni sebagai bahan bakar utama.
Membran polimer yang digunakan oleh PEMFC adalah bersifat isolator terhadap
elektron namun bersifat konduktor yang sangat baik terhadap ion hidrogen
[4].Konstruksi materialnya mengandung fluorocarbon. Membran polimer ini
diproduksi oleh DuPont dengan merek Nafion, dan tipe yang banyak digunakan
adalah 1135, 115, dan 117.
12
2.3. Perbandingan Karakteristik Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar [1],[11]
Setiap jenis Sel Bahan Bakar yang telah dijelaskan di atas memiliki karakteristik
masing-masing. Perbedaannya terletak pada bahan bakar yang digunakan, oksidan,
elektrolit, ion yang ditransfer, dan lain-lain. Pada Tabel 2.1 menunjukkan
perbandingan karakteristik masing-masing Sel Bahan Bakar.
Tabel 2.1 Perbandingan Karakteristik Beberapa Jenis Sel Bahan Bakar
PEMFC
DMFC
AFC
Bahan
bakar
H2
Oksidan
O2,
udara
Methanol H2
(CH3OH)+
H2O
O2,udara O2,
udara
PAFC
SOFC
MCFC
H2
H2
H2
O2,
udara
O2,
Udara
CO2,
O2,udara
Elektrolit Membran Membran Potasium Phosporic Yttria
(Nafion) (Nafion) hidroksida Acid
Stabilized
(liquid)
Zirconia
(YSZ)
Polytetra- Yttria
Elektroda Polytetra- Polytetra- Ni dan
flouroethy- Stabilized
flouroethy- flouroethy- NiO
Zirconia
lene
lene
lene
(YSZ)
(PTFE)
(PTFE)
(PTFE)
+
+
+
Ion yg
H
H
OH
H
O2ditransfer
Suhu
operasi
25-100oC 25-100oC 25-250oC 150-220oC 6001000oC
Lithium/
sodium/
Potasium
karbonat
Polytetraflouroethylene
(PTFE)
CO32620-660oC
Dari Tabel 2.1, dapat kita lihat bahwa kebanyakan Sel Bahan Bakar menggunakan
H2 sebagai bahan bakarnya, sedangkan Sel Bahan Bakar Metanol memakai campuran
metanol (CH3OH) dan air (H2O). Sedangkan dari sisi oksidan, oksigen murni maupun
udara campuran paling banyak digunakan, sedangkan Sel Bahan Bakar Karbonat
menggunakan tambahan CO2 sebagai oksidan. PEMFC dan Metanol merupakan Sel
Bahan Bakar yang memiliki suhu operasi yang paling rendah dibanding yang lain,
sedangkan Sel Bahan Bakar Oksida Padat merupakan memiliki suhu operasi paling
tinggi.
13
2.3.1. Perbandingan Aplikasi Sel Bahan Bakar
Sel Bahan Bakar memiliki karakteristik tersendiri yang memungkinkan untuk
berbagai aplikasi. Desain Sel Bahan Bakar akan sangat berbeda tergantung pada jenis
aplikasinya yang memperhitungkan daya keluaran yang dibutuhkan, suhu, efisiensi,
ukuran, berat dan suplai bahan bakar. Aplikasi tersebut diantaranya pencatu daya
portable, pembangkit daya cadangan, transportasi dan pembangkit daya stasioner.
Tabel 2.2 menunjukkan perbandingan aplikasi dan daya Sel Bahan Bakar.
Tabel 2.2 Skema Aplikasi Sel Bahan Bakar
Jenis Sel
Aplikasi
Range Power
DMFC
- Pengganti baterai
dibawah 100 Watt sampai
- Pembangkit listrik portable
1 kW
- Transportasi
500 W sampai 10 kW
AFC
- Pembangkit listrik cadangan
PAFC
- Pembangkit listrik stasioner
50 kW sampai 2 MW
- transportasi
SOFC
- Pembangkit listrik stasioner
5 kW sampai lebih dari 10
- Transportasi
MW
- CHP (Combined Heat Power)
MCFC
PEMFC
- Pembangkit listrik stasioner
200 kW sampai lebih dari
- CHP (Combined Heat Power)
10 MW
- Transportasi
Dibawah 100 Watt sampai
- Pembangkit listrik portable
diatas 1 MW
- Pembangkit listrik cadangan
2.4. Alasan pemilihan PEMFC
Setiap jenis Sel Bahan Bakar mempunyai karakteristik yang unik jika dibandingkan
satu dengan yang lain. Termasuk jenis PEM, Sel Bahan Bakar jenis ini mempunyai
beberapa keunggulan dan kelemahan dibandingkan jenis yang lain. Tabel 2.3
menunjukkan karakteristik keunggulan dan kelemahan PEMFC[11].
14
Tabel 2.3 Keunggulan dan Kelemahan PEMFC
Keunggulan PEMFC
Kelemahan PEMFC
- Tidak menghasilkan polutan
- Manajemen air yang lebih kompleks
- Suhu operasi lebih rendah
- Manajemen suhu yang lebih kompleks
- Jenis aplikasi lebih beragam,
- Rentan terhadap polutan di sisi reaktan
- Cocok untuk tipe pembangkitan backup
dan alat transportasi
PEMFC memiliki tingkat kepadatan daya (power density) yang tinggi sehingga
memungkinkan untuk mengaplikasikannya pada bidang transportasi dan keperluan
mobilitas tinggi lainnya. Elektrolit yang digunakan memilik ketahanan yang tinggi,
suhu operasi PEMFC berkisar antara 25-100oC. Namun PEMFC memiliki
kekurangan yakni harus menggunakan hidrogen yang benar-benar murni sebagai
bahan bakar sehingga ketidakmurnian sedikit saja akan menurunkan kinerja sangat
jauh.
Dari uraian perbandingan jenis-jenis Sel Bahan Bakar di atas, dapat dituliskan
beberapa kelebihan PEMFC apabila dimodelkan, yaitu :
1. Suhu operasi di bawah 100oC, sehingga fasa H2O yang terlibat hanya dalam
bentuk cair
2. Bahan bakar adalah hidrogen murni, sehingga relatif lebih mudah
memodelkan reaksinya.
3. PEMFC banyak diaplikasikan dan diproduksi secara komersial, terutama
untuk keperluan transportasi.
2.5. Prinsip Kerja PEMFC[1][3]
Sebuah PEMFC sederhana terdiri dari beberapa komponen yakni elektroda (anoda
dan katoda), elektrolit, katalis, serta tempat mengalir bahan bakar masuk dan keluar
juga oksidan yang masuk dan keluar. Anoda adalah bagian elektroda yang bermuatan
negatif sedangkan katoda adalah elektroda yang bermuatan positif. Pada elektroda
15
akan terjadi reaksi elektrokimia yang ditandai dengan pelepasan/penggabungan ion
dari senyawa
Gambar 2.6 Skema Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange
Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Pada Gambar 2.6 dapat dilihat senyawa hidrogen membentuk ion hidrogen dan
mengalir melalui elektrolit. Elektrolit adalah material yang digunakan untuk
mengalirkan ion dari anoda ke katoda. Katalis berada di antara anoda dan elektrolit,
juga elektrolit dan katoda. Katalis digunakan untuk membantu mempercepat proses
pelepasan/penggabungan ion.
Reaksi elektrokimia pada PEMFC melibatkan perpindahan muatan dari satu
elektroda ke elektroda yang lain., dan perpindahan muatan tersebut akan disertai
dengan perpindahan elektron. Namun dalam proses perpindahannya, ion dan elektron
tidak melalui jalur yang sama. Ion H+ berpindah dari anoda ke katoda melalui
elektrolit/mebran, sedangkan elektron (e-) berpindah melalui konduktor yang
mengalirkan listrik.
Pada PEMFC, reaksi yang terjadi adalah :
Pada anoda
: H 2 (g) → 2H + (aq) + 2e-
Pada katoda
:
1
2
O2 (g) + 2H + (aq) + 2e- → H 2 O(l)
Keseluruhan : H 2 (g) +
1
2
O 2 (g) → H 2 O(l)
(2.1)
(2.2)
(2.3)
16
Gambar 2.7 Reaksi elektroda dan aliran muatan
Pada Gambar 2.7, dapat dilihat bahwa hidrogen masuk ke dalam sebuah Sel Bahan
Bakar melalui saluran khusus yang terhubung ke anoda. Dari anoda hidrogen yang
telah menjadi ion H+ akan berpindah ke katoda melalui elektrolit dengan bantuan
katalis (yang digunakan pada PEMFC biasanya platina). Sementara elektron
mengalir melalui rangkaian listrik/beban yang terhubung. Pada katoda akan terjadi
reaksi antara H+, elektron dan oksigen dan membentuk air. Energi listrik dihasilkan
oleh perpindahan elektron melalui rangkaian listrik eksternal/beban.
Penghitungan dan pemodelan energi listrik dan tegangan yang dihasilkan oleh
PEMFC membutuhkan pendekatan dari konsep elektrokimia dan termodinamika.
Penjelasan mengenai konsep energi listrik yang dihasilkan, tegangan keluaran dan
fenomena-fenomena fisik yang mempengaruhinya dari PEMFC akan dibahas di Bab
3 (Perumusan Model Matematis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton).
17