Pemberitahuan : dikumpulkan daftar pustaka yang digunakan dalam penulisan makalah pada waktu ujian
BAB I PERKEMBANGAN FUELL CELL Fuel cell merupakan sumber tenaga listrik yang menggunakan hidrogen dan metanol sebagai bahan bakar dan oksigen sebagai oksidan menghasilkan air. Konsepnya sangat sederhana yaitu mengubah energi elektrokimia menjadi energi listrik. Pertama kali konsep ini ditemukan oleh Sir William Grove pada tahun 1839. Dasar pemikiran Grove ialah proses kebalikan elektrolisis. Ia menemukan suatu pemikiran untuk memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen dengan menggunakan tenaga elektrik dan menghasilkan kembali tenaga tersebut dengan menggabungkan dua gas tersebut. Ia menggunakan acid sulfurik dan platinum sebagai pembangkit Sel yang diciptakan oleh Grove diberi nama (gas voltaic battery). Sel tersebut terdiri dari dua batang elektrod (anod dan katod) yang berbeda,. dan antara dua batang elektrod dihubungkan oleh rangkaian penghantar elektron. Sel Grove menghasilkan tegangan sebesar 1.8 Volt dan arus 12 Amphere. Kemudian, ilmuwan Ludwig Mond dan Charles Langer telah mencoba penemuan Grove pada suatu alat praktikal, dengan hasil temuanya diberi nama sel bahan bakar (fuel cell). Pada tahun 1932, Francis T. Balcon telah meneliti pembiayaan fuel cell tersebut melalui satu sel dan akhirnya mereka berusaha untuk mengkomersilkannya. Pada tahun 1959, Balcon bekerjasama dengan suatu perusahaan peralatan kebun dari Milwaukee untuk membuat suatu jentera. Selain itu, pada awal 1950 Syarikat generan Elektrik Pennsylvania membentuk suatu program SBA untuk keperluan menggerakkan generator. Ilmuan-ilmuan generan elektrik (GE) pada masa itu berusaha menggunakan udara sebagai
sumber oksigen. Pada tahun 1965, mencadangkan SBA sebagai sumber tenaga pada kapal angkasa Gemini 5. Sejak itu, Francis Balcon bekerja sama dengan Pratt dan Whitney (P&W) untuk membuat program SBA ruang angkasa sebagai sumber tenaga ( Hall & Kerr 2003). Sepanjang 1970-an, teknologi SBA semakin populer di kalangan industri penjana tenaga elektri sehingga SBA ini diaplikasikan ke peringkat industri-industri yang lain. Pada tahun 1973 dan 1979, sekatan minyak telah berlaku dan Amerika Serikat (USA) mencari suatu alternatif baru untuk menghasilkan tenaga supaya tidak bergantung kepada pengimportan petroleum. Beberapa serikat dan organisasi telah memulakan kajian pengkomersilan SBA (Tsuchiya & Kobayashi. 2004). Kajian-kajian dijalankan untuk memahami sumber bahan yang optimum dan menurunkan harga teknologi ini. Sepanjang tahun 1980-an, teknologi SBA dari awal diuji untuk kegunaan asas dan pembuatan automobil. Pada tahun 1993, Serikat Ballard telah menghasilkan dan memasarkan kendaraan yang menggunakan sel bahan api. Dari segi pemasaran, Johnson Matthey melaporkan bahwa jenis teknologi ini cukup sesuai untuk sektor automobil maupun keperluan lain ( Master 1998). Selain itu, EG & G Services (2000) juga melaporkan bahwa SBA ini memiliki kekuatan kuasa yang cukup tinggi. Oleh karena itu, Amerika serikat membentuk perhimpunan program baru automobil (USCAR) untuk mengembangkan teknologi automobil SBA dan mencadangkan infrastruktur hidrogen sebagai tempat pengisian bahan api hidrogen. Selain itu, beberapa majalah antar bangsa seperti Parade Magazine, Business fuel cell Meet Big Business, Tansportation SAE 200 juga merencanakan bahawa SBA sebagai tenaga alternatif pengganti energi pembakaran. Kenyataan ini dapat diterima oleh hampir semua negara di dunia karena setiap gallon bahan api fosil yang digunakan dalam energi pembakaran akan menghasilkan 20 lb CO2 yang mencemari negara. Sebagai contoh, negara Amerika Sarikat menghasilkan 10.700 lb CO2 dan mencemari udara dengan kepekatan seperempat dari udara (Keyur et al. 2000). Dengan perkembangan itu, banyak negara-negara di dunia melakukan penyelidikan dan pembangunan SBA. Pada awal tahun 2000-an, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) dan Universiti Teknologi Malaysia (UTM) bergabung untuk menghasilkan SBA. Pada tahun 2005, UKM telah melakukan prototaip motosikal yang menggunakan SBA. Sampai saat ini sudah dikenal 6 sel bahan bakar yang dibedakan berdasarkan pada elektrolit yang digunakan dan kondisi operasi (suhu dan tekanan) sel. Keenam sel tersebut
ialah: Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), Alkali Fuel Cell (AFC), Molten Carbonat Fuel Cell (MCFC), Posphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Direct Methanol-Ethanol Fuel Cell (DMFC/DEFC). Lembaga yang telah mengembangkan dan menjual fuel cell diantaranya International Fuel Cell, Avista Labs, Energy Partner, H Power, Energy Research Corporation, Allied Signal (US), Ballard (Canada), Mitsubishi, Toshiba, Ishikawajima-Harima Heavy Industries, Fuji Electric (Japan), DeNora (Italy), Rolls-Royce (UK), Siemens (Germany), Ceramic Fuel Cell (Australia), dan Siemens-Westinghouse (Germany-US).
Hidrogen sebagai bahan bakar merupakan bahan yang tidak beracun,tidak berwarna, dan ketika di bakar dengan udara akan bereaksi dan hanya menghasilkan air. Sumber hidrogen banyak tersedia di alam sebagai bahan yang dapat terbarukan misalkan biomass, air, limbah industri (baja dan soda), limbah gas kota, minyak nabati disamping fraksi minyak bumi seperti (gasoline, naphta, methanol, ethanol, gas alam dll).Hydrogen adalah unsur kimia yang membawa energi. Hidrogen dipasarkan bisa dalam bentuk cairan atau gas. Disamping untuk bahan bakar boiler dan turbin uap, hydrogen biasanya dapat digunakan untuk fuel cell sebagai pembangkit listri, karena dapat membangkitkan efisiensi listrik sampai dengan 40%-60%. Pengaplikasian energi hydrogen antara lain :
Sebagai bahan bakar dalam fuel cell
Sebagai bahan untuk industri kimia.
Sebagai bahan bakar boiler dan turbin uap.
Sel bahan hidrogen merupakan salah satu alat penghasil tenaga yang merubah energi elektrokimia secara langsung menjadi energi listrik. Hasil reaksi elektrokimia adalah air, berbeda dengan mesin konvensioanal menghasilkan gas buang yang beracun seperti (CO2, CO, SOx, NOx, VOM) dan gas-gas lainya yang sangat membahayakan lingkungan. Disamping itu sel bahan bakar menghasilkan efisiensi tenaga yang tinggi dibandingkan dengan mesin konvensional karena tidak ada kerugian gesekan poros.
TIPE-TIPE FUEL CELL : Proton Exchange Membrane fuel cell(PEMFC) Alkaline fuel cell (AFC) Molten Carbonat fuel cell(MCFC) Phoshoric Acid fuel cell(PAFC) Solid Oxide fuel cell(SOFC) Direct Methanol fuel cell(DMFC)
Proton Exchange Membrane fuel cell (PEMFC) Diantara 6 jenis sel bahan bakar yang telah dikenal pada saat ini, sel bahan bakar hidrogen membran elektrolit (PEMFC) paling banyak mendapatkan perhatian di seluruh negara karena memiliki kelebihan dibandingkan dengan mesin konvensional dan sel bahan bakar lainya. Sel ini menggunakan elektrolit padat yang disebut (proton exchange membrane, PEM ) sehingga mudah dibuat, efesiensi tenaga hampir dua kali lipat dibandingkan dengan efisiensi mesin konvensional. Hasil reaksi elektrokimia hanya air (zero emission), bersifat modular, tidak ada masalah korosi, masa pakai mencapai 11.000 jam, tidak mengeluarkan bunyi dan dapat diaplikasikan untuk alat yang bergerak maupun alat - alat yang tak mudah alih.
Struktur PEMFC
Alkaline fuel cell (AFC)
Alkali Fuel Cell (AFC) menggunakan elektrolit larutan (KOH) atau larutan alkali. Suhu operasi antara 1500C-2000C menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen murni dan bebas CO2. Karena pengotor dapat menyebabkan reaksi samping dan CO2 akan bereaksi dengan elektrolit membentuk endapan karbonat yang akan menutup permukaan katalis dan menghambat reaksi dipermukaan anoda dan katoda. Alkali fuel cell (AFC) telah digunakan sebagai sumber pembangkit listrik untuk pesawat ruang angkasa sejak tahun 1960. Untuk lebih jelas dibawah ini ditampilkan mekanisme kerja (AFC):
Struktur AFC
•
Reaksi anoda : 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4 e-
•
Reaksi katoda : O2 + 2 H2O + 4 e- => 4 OH-
•
Reaksi keseluruhan : 2 H2 + O2 => 2 H2O
Mekanisme kerja dimulai dari reaksi air dan oksigen di katoda menghasilkan ion hidroksil (OH-). Ion hidroksil melalui elektrolit dipindahkan ke sisi anoda. Di sisi anoda hidrogen bereaksi dengan ion hidroksil menghasilkan air dan membebaskan elektron. Elektron yang dihasilkan di sisi anoda keluar dari sistim dan digunakan sebagai tenaga listrik kemudian kembali ke sisi katod. Di sisi katoda elektron bereaksi dengan oksigen.
Molten Carbonat fuel cell (MCFC)
Molten Carbonet Fuel Cell (MCFC), menggunakan garam natrium karbonat (Na2CO3) sebagai elektrolit. Garam karbonat apabila dipanaskan sampai dengan 6500C akan meleleh. Lelehan garam dapat menghantarkan ion karbonat (CO32) melalui elektrolit dipindahkan dari katoda ke anoda. Di sisi anoda ion karbonat bereaksi dengan hidrogen menghasilkan air, karbondioksida (CO2) dan elektron. Elektron keluar dai sel menghasilkan tenaga listrik dan kembali lagi ke sisi katoda. Oksigen dari udara dan karbondioksida bereaksi dengan elektron membentuk ion CO3. Ion CO3 dihantar oleh elektrolit menuju ke sisi anoda kembali.
Struktur MCFC
2
CO 2 + H 2 O 2e
Reaksi Anoda = H 2 + CO 3
Reaksi katoda =
1 Reaksi keseluruhan = H 2 O2 CO 2 H 2 O CO2 2
1 2 O2 CO2 2e CO3 2
Phoshoric Acid fuel cell (PAFC)
Phosporic acid fuel cell (PAFC) menggunakan asam phospat sebagai elektrolit. Menggunakan Pt sebagai anoda dan katoda. Sebagai bahan bakar menggunakan hidrogen dan oksigen. Suhu operasi 120-2000C. Hidrogen tidak harus murni karena pada suhu diatas 1200C ketahanan katalis terhadap CO cukup tinggi sehingga kandungan CO di dalam bahan bakar hidrogen boleh sampai dengan 1.5 %. Mekanisme kerja PAFC sama dengan PEMFC. Hidrogen di sisi anoda dioksidasi menjadi proton dan elektron. Melalui elektrolit, proton dipindahkan dari sisi anoda
ke sisi
katoda. Elektron keluar dari sel melalui external circuit menghasilkan energi listrik dan kemudian kembali ke sisi katoda.
Di sisi katoda elektron, proton dan oksigen bereaksi
menghasilkan air. Keuntunganya bila dibandingkan dengan sel bahan bakar hidrogen membran elektrolit atau PEMFC adalah suhunya relatif lebih tinggi sehingga katalis lebih toleran terhadap racun CO. Keuntungan yang lain adalah asam phospat dapat dioperasikan diatas titik didih air, batasan pada asam lain sebagai elektrolit yang selalu memerlukan air sebagai pembawa proton. Diperlukan reformer yang ada di luar sel untuk menghasilkan hidrogen dari bahan bakar minyak bumi. Apabila sebagai bahan bakar menggunakan gasoline, maka sulfur harus dihilangkan dari hidrogen karena akan merusak katalis. Efisiensi rendah 40-50 % Telah dibuat untuk dapat menghasilkan listrik 200 kW sampai dengan 11 MW. Krisis energi yang dialami dunia pada tahun 1970 mendorong lembaga riset Los Alamos National Laboratory untuk memulai mempelajari sel bahan bakar ini, sebagai sumber tenaga penggerak kendaraan. Pada tahun 1994 sebuah bis digerakan oleh PAFC.
Struktur PAFC
Reaksi Anoda = H 2 2 H 2e 1 Reaksi Katoda = O2 2 H 2e H 2 O 2 1 Reaksi keseluruhan = H 2 O2 H 2 O 2
Solid Oxide fuel cell(SOFC)
SOFC
sangat
sesuai
untuk
pembangkit
tenaga
skala
besar
untuk menyediakan listrik dalam satu kota atau satu industri. Bekerja pada suhu tinggi sehingga kesulitan yang timbul adalah waktu start up dan start down lama. Juga kemungkinan pecah dari alat-alat membuat pengamanan SOFC sulit. Elektrolit menggunakan bahan keramik seperti kalsium oksida atau zirconium oksida. Suhu operasi 7000C- 1000 0C. Pada suhu tinggi ion oksigen bermuatan negatif bergerak melalui kisi kristal menuju anoda. Sementara molekul hidrogen di sisi anoda dioksidasi oleh ion oksigen menghasilkan ion hidrogen dan membebaskan elektron. Elektron keluar dari sistem melalui external circuit menghasilkan listrik dan masuk ke sisi katod. Reaksi lengkap dapat dilihat seperti dibawah ini: Reaksi Anoda = H 2 O 2 H 2 O 2e 1 Reaksi Katoda = O2 2e O 2 2 1 Reaksi keseluruhan = H 2 O2 H 2 O 2
Bentuk keseluruhan dari SOFC adalah tubular. Kelemahan karena suhunya yang tinggi ada kemungkinan oksida padat akan pecah. Keuntunganya tidak memerlukan reformer dan limbah panas boleh digunakan juga sebagai penbangkit listrik. Sama seperti molten carbonat fuel cell SOFC bekerja pada suhu tinggi oleh karena itu selalu digunakan untuk sumber tenaga alat-alat tak mudah alih. SOFC sama dengan jenis sel bahan bakar lainya. Ukuranya yang relatif kecil cocok untuk digunakan di Jepang (Tokyo) yang padat penduduknya. Dibawah ini ditampilkan gambar dan mekanisme kerja SOFC:
Struktur SOFC
Direct Methanol fuel cell(DMFC) Sel DMFC/DEFC dikembangkan untuk membuat sel yang dapat bekerja dengan menggunakan bahan bakar cair seperti methanol atau etanol. Sampai saat ini DMFC/DEFC masih dalam pengembangan. Hambatan komersialisasi sel ini adalah embran elektrolit yang selama ini menggunakan Nafion sangat permeabel terhadap methanol/ethanol itu sendiri. Hambatan yang kedua adalah deaktifasi katalis Pt oleh CO yang dihasilkan oleh reaksi perurarian methanol/ethanol. Adsorbsi CO di permukaan katalis akan menghalangi adsorbsi hidrogen sehingga reaksi akan berhenti. Penelitian selanjutnya kini sedang dikembangkan untuk membuat membran komposit yang tidak permeabel terhadap methanol/ethanol. Reaksi di sisi anod dan katod dapat dilihat dibawah ini: Reaksi anoda = CH 3OH H 2 O CO2 6 H 6e 3 Reaksi di sisi katoda = O2 6 H 6e 3H 2 O 2 3 Reaksi keseluruhan = CH 3OH O2 H 2 O CO2 3H 2 O 2
Direct methanol/ethanol fuel cell (DMFC/DEFC)
