CATATAN TEKNIK MESIN: FUEL CELL : PENGENALAN FUELL CELL

بِسْــــــــــــــــمِ اﷲِالرَّحْمَنِ اارَّحِيم

1. DESKRIPSI SEL BAHAN BAKAR ( FUEL CELL )

Sebuah sel bahan bakar (fuel cell) adalah perangkat konversi energi elektrokimia yang mirip dengan baterai. Berbeda dengan baterai yang bahan bakarnya hanya diisi sekali saja,fuell cell bahan bakarnya bisa diisi terus menerus dengan okseigen dan hidrogen .Sebagai tambahan, elektroda dalam baterai bereaksi dan perubahan yang terjadi akan membuat baterai langsung dibuang sedangkan fuell cell bisa digunakan terus menerus dan relative stabil.

2. SEJARAH FUEL CELL

Sejarah fuel cell dimulai dengan penggunaan accumulator atau yang biasa kita sebut sebagai accu atau aki. Alat penghasil listrik ini dulu sering dijumpai sebagai tenaga untuk televisi.adalah seorang berkebangsaan Inggris yang bernama Sir William Robert Grove, manusia pertama pembuat alat sederhana yang belakangan disebut sebagai fuel cell. Seorang hakim pengadilan, penemu, dan ahli fisika ini lahir tanggal 11 juli 1811 di Swansea, South Wales dan meninggal di London pada tanggal 1 Agustus 1896.

Setelah menyelesaikan pendidikan privatnya, Grove masuk Brasenose College, Oxford hingga mendapatkan gelar B.A. di tahun 1832. Beliau juga belajar hukum pada Lincoln Inn.
Kariernya dalam bidang ilmu pengetahuan dimulai sejak dia membuat voltaic battery yang dijelaskannya pada pertemuan The British Association for the Advancement of Science di tahun 1839. Fuel cell yang dibuatnya terdiri atas elektrolit asam, keping platina serta tabung gas oksigen dan hidrogen, dan menggunakan prinsip reaksi balik terbentuknya air, di mana hidrogen dan oksigen akan bereaksi dalam larutan asam dan menghasilkan air dan listrik dengan arus sebesar 12 ampere dan tegangan 1,8 volt. Sel ini kemudian disebut sebagai Grove`s Battery atau batere Grove atau sel Grove.

Sejak saat itu sel groove banyak digunakan. Akan tetapi, karena listrik yang dihasilkan sedikit dan tidak mencukupi lagi untuk kebutuhan listrik yang semakin besar, lambat laun sel Grove mulai tergeser. Namun, sel Grove tetap menjadi dasar acuan pengembangan fuel cell selanjutnya.

Inovasi “fuel cell” lain

Temuan-temuan fuel cell selanjutnya bermunculan. Di tahun 1889, kata fuel cell pertama kali diperkenalkan oleh Ludwig Mond dan Charles Langer yang mencoba membuat fuel cell yang dipakai untuk industri batu bara. Walaupun sumber lain ada juga yang mengatakan bahwa kata fuel cell pertama kali dipakai oleh William White Jaques. Jaques juga adalah peneliti pertama yang memakai asam fosfat sebagai elektrolit.

Di tahun 1920 penelitian fuel cell di Jerman membuka jalan bagi pembuatan siklus karbonat dan fuel cell oksida padat seperti yang ada sekarang ini.Di tahun 1932, seorang insinyur Francis T. Bacon memulai penelitian penting dalam fuel cell. Dulunya fuel cell menggunakan elektroda platina dan asam sulfat sebagai elektrolit di mana platina sangat mahal dan asam sulfat sangat korosif (membuat cepat berkarat). Di sini Bacon mengembangkan katalis platina yang sangat mahal itu dengan sel oksigen dan hidrogen yang memakai elektrolit alkali yang tidak korosif serta elektroda yang tidak mahal. Penelitiannya berlangsung hingga tahun 1959. dalam pendemonstrasian model desainnya menghasilkan 5.000 watt yang dapat menghidupkan mesin pengelas. Fuel cell tersebut akhirnya disebut sebagai Bacon Cell.Seorang insinyur Allis-Chalmers Manufacturing Company, di bulan Oktober tahun 1959 mendemonstrasikan 20 traktor bertenaga kuda yang merupakan mesin pertama menggunakan fuel cell.

NASA menggunakan “fuel cell “

Sebuah produsen alat elektronik terkenal di Amerika, selama tahun 1960-an memproduksi tenaga listrik berbasis fuel cell untuk NASA sebagai tenaga pesawat ruang angkasanya yaitu Gemini dan Apollo. Sistem fuel cell yang dipakai dalam alat ini berdasar pada sel Bacon. Sampai sekarang, tenaga yang dipakai dalam pesawat ruang angkasa tetap memakai fuel cell karena dengan fuel cell energi yang dipakai tidak terlalu ribet seperti baterai atau tenaga nuklir yang cukup riskan. Dalam hal penelitian teknologi fuel cell, NASA telah mendanai lebih dari 200 riset.

Bus yang memakai teknologi fuel cell pertama kali diluncurkan pada tahun 1993 dan untuk mobil biasa di Eropa dan Amerika kini telah banyak dipakai. Sejumlah produsen mobil mewah dan produsen mobil kelas menengah juga mulai mengembangkan mobil yang memakai fuel cell ini, sejak tahun 1997.
Sejak saat itu bermunculan temuan-temuan yang lebih mutakhir tentang mobil yang bertenaga fuel cell ini. Promosi yang dilakukan besar-besaran dengan mengedepankan ramah dan amannya emisi yang dihasilkan kendaraan sehingga lingkungan yang bebas polusi dan takkan mengganggu lingkungan, kemudian juga dapat diperbaruinya bahan bakar yang akhirnya mengurangi pemakaian BBM. Ditambah lagi bermunculannya tempat-tempat penjualan bahan bakar ini, seperti adanya pom-pom hidrogen.

Mikroba untuk “fuel cell”

Tak hanya itu, teknologi fuel cell yang ditemukan juga menjadi bervariasi, seperti ditemukannya fuel cell yang lebih efisien dalam menghasilkan gas hidrogen hingga jumlahnya semakin berlipat. Teknologi ini bahkan melibatkan proses fermentasi oleh mikroba yang sebelumnya sangat mustahil sekali di dalam produksi bahan bakar.Teknologi ini berkembang sejak tahun 2.000 yang kita kenal sebagai MFC atau Microbial Fuel Cell. MFC ini selain menghasilkan hidrogen yang banyak hingga 4 kali lipat dari fuel cell biasa, substrat yang dipakai mikroba dalam berfermentasi adalah limbah rumah tangga, industri ataupun limbah pertanian yang tidak terpakai sehingga selain yang dihasilkan adalah gas hidrogen juga didapatnya produk akhir berupa air bersih yang tentu saja dapat dipakai untuk berbagai macam kebutuhan.Dan jelas hal ini bisa mengurangi sejumlah dana yang dipakai untuk pembersihan air limbah. Walaupun memang MFC ini belum dapat dipakai di dalam menghidupkan mobil seperti fuel cell sebelumnya, sejumlah pakar peneliti merasa optimistis hal itu dapat terwujud karena penelitian ke arah itu sedang dalam pengembangan.

3. Prinsip Dasar Fuel Cell

Fuel cell bekerja berdasar prinsip pembakaran listrik-kimiawi, cell ini akan memproduksi energi listrik arus searah. Fuel cell ini terdiri dari elektrolit yang memisahkan katoda dari anoda, elektrolit hanya dapat menghantar ion saja, sedangkan elektron tidak dapat melewati elektrolit, jadi elektrolit ini bukan penghantar listrik dan juga menghindarkan terjadinya reaksi kimia. Pada anoda akan dialirkan secara berkesinambungan bahan bakar dan pada kattode dialirkan oksigen, pengaliran ini dilakukan secara terpisah. Karena pengaruh katalisator pada elektroda, maka molekul-molekul dari gas yang dialirkan akan berubah menjadi ion. Reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang bebas, sedang pada katoda elektron yang bebas akan diikat.
Elektron - elektron bebas yang terjadi harus dialirkan keluar melalui penghantar menuju ke anoda, agar proses listrik-kimiawi dapat berlangsung. Panas yang timbul dari hasil reaksi kimia harus terus menerus dibuang, agar energy listrik dapat terbentuk secara kontinyu.

Reaksi kimia pada fuel cell.
2H₂ + O₂à 2H₂O

Pada anoda hidrogen di oksidasi menjadi proton:
2H₂ à 4H⁺ + 4 e^-

Setiap molekul H₂ terpecah menjadi dua atom H⁺(proton), sedang setiap atom hydrogen melepaskan elektronnya. Proton ini akan bergerak menuju katoda melewati membran. Elektron yang terbentuk akan menghasilkan arus listrik kalau dihubungkan dengan penghantar listrik menuju katoda. Pada katoda oksigen dirubah
O₂ + 4H⁺ + 4 e^-à 2H₂O

Molekul oksigen akan bergabung dengan empat elektron, menjadi ion oksigen yang bermuatan negatif untuk selanjutnya bergabung lagi dengan proton yang mengalir dari anoda. Setiap ion oksigen akan melepaskan kedua muatan negatifnya dan bergabung dengan dua proton, sehingga terjadi oxidasi menjadi air.

Jenis dari pada fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada 6 jenis fuel cell yaitu:
• Alkaline (AFC)
• Proton exchange membrane, juga disebut proton elektrolyt membrane(PEM)
• Phosphoric Acid(PAFC)
• Molten carbonate(MCFC)
• Solid oxide(SOFC)
• Direct methanol fuel cells(DMFC)
• Regenerative fuel cells

Fuel cell mempunyai efisiensi yang cukup tinggi, dari 40% sampai 70%, tergantung dari jenis fuel cell, yang paling tinggi adalah alkaline (AFC), olid oxyde (SOFC), direct methanol fuel cell(DMFC) dan regenerative fuel cell.Fuel cell mempunyai kepekaan terhadap zat zat tertentu seperti CO₂, CO, korosi dan produk oksidasi.

Penggunaan dari pada fuel cell ini terutama untuk menghasilkan energi yang dipakai pada program angkasa luar, power station penghasil listrik atau energi panas dan untuk kendaraan. Alkaline fuel cells(AFC) menggunakan alkaline potassium, hydroxyde sebagai lektrolit, dapat menghasilkan efisiensi sampai 70%. Banyak digunakan oleh NASA untuk misi ulang-alik angkasa luar. Biayanya sangat mahal, sehingga tidak dipakai untuk komersial. Proton exchange membrane(PEM) memiliki membran yang terbuat dari plastik tipis yang pada kedua sisinya dilapisi dengan platina. Jenis ini sangat sesuai untuk kendaraan, karena mampu beroperasi pada temperature yang rendah. Harganya relatif murah, sehingga dapat digunakan untuk alat listrik, kamera video dan telepon selular.Fuel cell PEM memiliki kepadatan energy yang tinggi (high energy density). Phosphoric acid fuel cells (PAFC) sudah banyak digunakan untuk penghasil listrik di rumah sakit, hotel, perkantoran, sekolah dan stasiun penghasil listrik.

Molten carbonate (MCFC) beroperasi pada temperatur yang tinggi sehingga hanya dapat digunakan untuk keperluan industri. Jenis ini dapat dipakai untuk menghasilkan energi yang besar, energi sebesar 10 kW dan 2 MW telah diuji coba di Jepang dan Itali. Solid oxide (SOFC) ini menggunakan material dari keramik keras, memunng-kinkan untuk operasi temperatur tinggi, banyak dicoba untuk keperluan stasiun pembangkit tenaga listrik. Cell ini berbentuk tabung.

Jepang telah mencoba dengan tenaga yang dihasilkan sebesar 25 kW dan di Eropa sudah dicoba sebesar 100 kW, percobaan sebesar 220 kW sedang dilakukan. Direct methanol fuel cell (DMFC) mirip dengan proton exchange elektrolyt (PEM), yaitu sama-sama menggunakan plastik polymer sebagai membran. Pada DMFC hydrogen diambil secara langsung oleh katalisator anoda dari methanol cair, sehingga tidak diperlukan sebuah reformer bahan bakar. Regenerative fuel cell merupakan jenis yang terbaru. Dengan menggunakan elektrolisa tenaga solar cell, maka bahan-bahan yang diperlukan oleh fuel cell diambil dari air dengan cara mengubahnya menjadi hidrogen dan oksigen, yang selanjutnya dapat menghasilkan tenaga listrik, panas dan air. Air ini didaur ulang dengan proses yang sama.

Apabila fuel cell ini digunakan untuk kendaraan, maka temperatur operasi yang terlalu tinggi akan kurang memadai. PEM dan DMFC beroperasi pada temperatur rendah, sedang penggunaan AFC untuk keperluan ini tidak menguntungkan, karena harganya mahal.

4. Keuntungan Fuel Cell

• Mempunyai efisiensi thermis dan efisiensi listrik yang tinggi
• Tidak berpengaruh terhadap efisiensi baik digunakan pada beban penuh atau
setengah
• Gas buang yang beracun hanya sedikit, bahkan dapat mencapai zero emission
• Kemungkinan terjadinya gangguan kerusakan jarang dan jaraknya cukup lama
• Karena tidak ada bagian yang berputar, maka perawatan lebih ringan
• Tidak bising

Keuntungan efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan motor bakar, adalah ketidak terikatannya pada proses Carnot yang membatasi efisiensi motor bakar, dimana proses Carnot adalah proses motor bakar yang paling ideal. Batas efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh sebuah motor bakar adalah efisiensi sesuai proses Carnot. Sistem fuel cell mepunyai efisiensi yang tidak dibatasi oleh proses Carnot.

Efisiensi dari proses Carnot
h_C = 1 –

Pada motor bakar pemakaian bahan bakar sangat dipengaruhi oleh beban operasinya, sehingga pada saat beroperasi pada beban yang kurang menguntungkan pemakaian bahan bakar akan lebih boros, sedang pada fuel cell hal ini tidak berpengaruh. Karena tidak ada pembakaran, maka tidak ada gas nitrogen oxida(NO_x).

Gas buang yang beracun pada fuel cell kadarnya sangat rendah tergantung dari jenis bahan awal yang dipakai, bahkan apabila mengambil hidrogen dari udara atau air dapat ditekan sampai 0%. Tidak adanya bagian yang berputar maupun komponen yang bergerak secara kontinyu pada fuel cell menyebabkan tidak terjadinya keausan, keausan yang terjadi hanya karena proses elektro kimiawi, dengan digunakannya material yang tepat maka keausan dapat diperkecil, dengan demikian maka kerusakan yang mungkin terjadi tidak terlalu banyak dan perawatan menjadi lebih ringan. Dengan terjadinya reaksi kimia yang tidak mengalami gesekan dan ledakan, maka tidak ada suara yang keras.

Fuel cell menggunakan reaksi kimia, lebih baik daripada mesin pembakaran, untuk memproduksi energi listrik Istilah fuel cell sering dikhususkan untuk hidrogen-oksigen fuel cell. Prosesnya merupakan kebalikan dari elektrolisis. Pada elektrolisis, arus listrik digunakan untuk menguraikan air menjadi hidogen dan oksigen. Dengan membalik proses ini, hidrogen dan oksigen direaksikan dalam fuel cell untuk memproduksi air dan arus listrik.

Konversi energi fuel cell biasanya lebih effisien daripada jenis pengubah energi lainnya. Efiensi konversi energi dapat dicapai hingga 60-80%. Keuntungan lain fuel cell adalah mampu menyuplai energi listrik dalam waktu yang cukup lama. Tidak seperti baterai yang hanya mampu mengandung material bahan bakar yang terbatas, fuel cell dapat secara kontinu diisi bahan bakar (hidrogen) dan oksigen dari sumber luar. Fuel cell merupakan sumber energi ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polutan dan sungguh-sungguh dapat digunakan terus-menerus jika ada suplai hidogen yang berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbarui.

Keuntungan fuel cell yaitu, efisiensi tinggi dapat mencapai 80%, tidak bising dan gas buang yang bersih bagi lingkungan.

Kendala yang masih membatasi pengguanaan fuel cell adalah :

1. Apabila digunakan bahan bakar hidrogen, maka dibutuhkan tanki pengaman yang berdinding tebal dan memiliki katup pengaman. Selain itu diperlukan kompresor untuk memasukan ke adalam tanki.

2. Apabila yang dibawa adalah hidrogen cair, maka akan timbul kesulitan karena harus dipertahankan pada temperatur -253,15^oC pada tekanan 10⁵Pa.

3. Apabila digunakan metanol sebagai pengganti hidrogen, maka dibutuhkan reformer. Tetapi efisiensi menjadi menurun.

4. Temperatur yang cukup tinggi saat pengoperasian antara 60^o-120^oC

Teknologi baru menggunakan prinsip mirip fuel cell untuk menghasilkan energi listrik menggunakan sumber alami, yaitu biofuel cell. Biofuel cell adalah alat untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik dengan bantuan biokatalis dari enzim atau mikroorganisme. Berikut ini sedikit ulasan mengenai beberapa jenis sel bahan bakar :

5. Fuel Cell

Fuel cell adalah alat yang mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polimer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja. Hidrogen dialirkan ke dalam fuel cell yaitu ke bagian anoda, sedang oksigen atau udara dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran, maka gas hidrogen tidak akan bercampur dengan oksigen. Membran dilapisi oleh platina tipis yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. Proton mengalir melalui membran, sedang elektron tidak dapat menembus membran, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion bermuatan positif. Apabila anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar listrik, maka akan terjadi pengaliran elektron dari anoda ke katoda, sehingga terdapat arus listrik. Elektron yang mengalir ke katoda akan bereaksi dengan proton dan oksigen pada sisi katoda dan membentuk air.

Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell

Anoda : 2H₂à 4H⁺+ 4e^-

Katoda : 4e^- + 4H⁺ + O₂ à2H₂O

Jenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada 6 jenis fuel cell yaitu:

§ Alkaline (AFC)

§ Proton exchange membrane, juga disebut Proton Electrolyt Membrane(PEM)

§ Phosphoric Acid(PAFC)

§ Molten carbonate(MCFC)

§ Solid oxide(SOFC)

§ Direct methanol fuel cells (DMFC)

§ Regenerative fuel cells

6. Biofuel Cell

Biofuel cell adalah sebuah perlalatan yang mengubah secara langsung energi biokimia menjadi energi listrik. Energi penggerak biofuel cell adalah reaksi redoks dari substrat karbohidrat seperti glukosa dan metanol menggunakan mikroorganisme atau enzim sebagai katalis, yang menggunakan mikroorganisme disebut Microbial Fuel Cell (MFC), sedangkan yang menggunakan enzim disebut Enzymatic Fuel Cell (EFC). Prinsip kerjanya mirip dengan fuel cell. Perbedaan utamanya adalah katalis pada biofuel cell adalah mikroorganisme atau enzim, oleh karena itu logam mulia tidak diperlukan, dan kondisi kerja dilakukan pada larutan netral dan temperatur kamar. Sebagai contoh, oksidasi sempurna satu gram metanol dengan bantuan enzim secara teoritis memberi energi listrik 5000 mAh. Oksidasi sempurna satu mol glukosa akan melepaskan 24 mol elektron.

C₆H₁₂O₆ + 6H₂Oà 6CO₂ + 24H⁺+ 24 e^-

Oleh karena itu muatan 2,32 x 10⁶ C per mol glukosa berpotensi untuk disambungkan melalui sirkuit elektronik. Besarnya arus yang dihasilkan dari proses oksidasi ini akan bergantung pada besarnya :

Angka metabolisme
Efisiensi transer elektron menuju elektroda

7. Microbial Fuel Cell (MFC)

MFC terdiri atas dua ruang yang dipisahkan oleh membran penukar proton/ Proton Exchange Membrane (PEM). Satu ruangan menjadi tempat untuk anoda dan ruangan lainnya untuk katoda. Prinsip penggunaan MFC ini erat berhubungan dengan proses biokimia yang terjadi dengan melibatkan mikroba yang disebut glikolisis, siklus asam sitrat, dan rantai transfer elektron.

Glikolisis adalah suatu proses penguraian molekul glukosa yang memiliki enam atom karbon, secara enzimatik untuk menghasilkan dua molekul piruvat yang memilki tiga atom karbon. Selama reaksi-reaksi glikolisis yang berurutan banyak energi bebas yang diberikan oleh glukosa yang disimpan dalam bentuk ATP.

Mediator elektron berperan selama proses transportasi elektron, membawa elektron dari membran plasama bakteri ke anoda. Elektron-elektron ini bergerak melewati sirkuit elektrik dan setelah itu mereduksi ion ferisianida menjadi ion ferosianida pada katoda. Proton dipompakan dari bakteri ke lingkungan anoda melewati membran penukar proton (PEM) ke ruang katoda. Ferosianida dioksidasi kembali menjadi ferisianida. Sedangkan ion hidrogen beraksi dengan oksigen membentuk air.

4 Fe(CN)₆^3- + 4 e 4 Fe(CN)₆^4-

4 Fe(CN)₆^4- + 4 H⁺ + O₂4 Fe(CN)₆^3- + 2 H₂O

Berdasarkan pada pengetahuan pada fungsi biofuel cell usaha-usaha sudah banyak dilakukan untuk memaksimalkan arus dan daya keluaran pada MFC, antara lain ⁽¹⁾ :

1. Membandingkan dan menggunakan kombinasi berbeda bakteri dan mediator elektron.

2. Menggunakan kultur bakteri campuran.

3. Menggunakan lingkungan anaerobik di anoda.

4. Meningkatkan angka suplai bahan bakar.

5. Modifikasi elektroda

6. memompakan oksigen melewati ruangan katoda.

Microbial Fuel Cell didasari coupling oksidasi glukosa menjadi molekul oksigen dan air. Bakteri Escherichia Coli (E. Coli) dapat digunakan untuk eksperimen ini, suatu mikroorganisme yang sering ditemukan pada usus manusia. Bakteri seperti E. Coli menguraikan glukosa menghasilkan ATP yang dimanfaatkan sel untuk sumber energi. Methylene blue (MB) digunakan sebagai mediator elektron atau electronophore untuk sarana efisiensi transfer elektron dari mikroorganisme ke elektroda.

Mediator elektron yang ideal seharusnya :

Dapat membentuk pasangan redoks reversibel pada katoda
Terhubung dengan NADH dan memiliki angka potensial reduksi standar yang sangat negatif dalam rangka untuk memaksimalkan produksi energi listrik.
Stabil pada bentuk oksidasi maupun bentuk reduksi.
Tidak terdekomposisi selama reaksi redoks yang berulang-ulang dalam jangka waktu lama.
Memiliki polaritas sehingga mediator dapat larut dalam air dan dapat diserap oleh membran mikroba.

Methylene blue dan neutral red adalah dua jenis mediator elektron yang biasa digunakan dalam MFC karena toksisitas yang rendah.

Mediator elektron membuka jalan ke dalam rantai transfer elektron, secara kimiawi mereduksi NAD⁺menjadi NADH. Mekanisme nyata transfer elektron melalui mediator elektron masih belum jelas. Bagaimanapun juga, ini diketahui bahwa elektron memasukan diri ke dalam membran bakteri dan pada dasarnya “membajak” proses transportasi elektron metabolisme glukosa.

Table 1. Karakteristik Umum Fuel Cell Kimiawi dan Biologis.

No		Fuel Cell Kimiawi	Fuel Cell Biologis
1	Katalis	Logam mulia	Mikroorganisme / enzim
2	Ph	Larutan asam (pH<1)	Larutan netral pH 7.0-9.0
3	Temperatur	lebih dari 200 ° C	Temperatur 22-25 ° C
²	Elektrolit	Asam fosfat	Larutan fosfat
5	Kapasitas	Tinggi	Rendah
6	Efisiensi	40 – 60 %	Lebih dari 40 %
7	Tipe Bahan Bakar	Gas alam, H₂, dll.	Karbohidrat dan hidrokarbon

Table 2. Energi Teoritis Kandungan Metanol, Etanol, Dan Glukosa. Perhitungan Didasari Asumsi Dari Konversi Sempurna; Kemungkinan Besar Angka Konversi Dalam Praktek Sekitar 50%.

No		Metanol (1g/10 ml H₂O)	Etanol (1g/10 ml H₂O)	Glukosa (3g/10 ml H₂O)
1	Kapasitas (mAh)	5025 (2512*)	3500 (1750*)	893 (446*)
2	H₂O yang terbentuk (g)	1,125	0,391	0,300
3	CO₂yang terbentuk	1,375	0,956	2,97 glucono-lactone

*angka konversi 50%

9. JENIS JENIS FUEL CELL(SEL BAHAN BAKAR)

Berdasarkan atas perbedaan elektrolit yang digunakan, fuel cell dapat dibagi menjadi empat tipe. Keempat tipe tersebut, suhu dan skala energi yang dihasilkan berbeda. Dari empat tipe tersebut dapat dibagi lagi menjadi dua tipe, yaitu yang bekerja pada suhu tinggi (dua tipe) dan pada suhu rendah (dua tipe):

1.Tipe pada suhu tinggi adalah MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) dan SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Kedua tipe ini bekerja pada suhu 500°C-1000°C. Suhu tinggi akan mempercepat reaksi sehingga katalis (Pt) tidak diperlukan pada tipe ini. MCFC bekerja pada suhu 650°C, dan elektrolit yang digunakan adalah garam karbonat (Li2CO3, K2CO3, dll) dalam bentuk larutan. Sedangkan SOFC, bekerja pada suhu 1000°C, dengan keramik padat (misal, ZrO2) sebagai elektrolitnya.

2.Tipe pada suhu rendah adalah PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) dan PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Kedua tipe ini bekerja pada suhu dibawah 200°C. Tipe ini cepat teraktifasi karena beroperasi pada suhu yang lebih rendah, namun karena suhu rendah tersebut tipe ini membutuhkan katalis (Pt) sebagai elektrodanya yang harganya cukup mahal. PAFC bekerja pada suhu 200°C, dan asam fosfat (H3PO4) sebagai elektrolitnya. PEMFC bekerja pada suhu dibawah 100°C, membran polimer sebagai elektrolitnya.

Berdasarkan material elektrolitnya terdapat beberapa jenis fuel cell, yaitu:
A.Alkaline Fuel Cell (AFC)
B.Phasphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
C.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
D.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
E.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
F.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
G.Regenerative Fuel Cells (RFC)
H.Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC)

A.Alkaline Fuel Cell (AFC)
Alkali Fuel Cell (AFC) ini, menggunakan elektrolit larutan kalium hidroksida atau larutan alkali. Suhu pengoperasian antara 150°C-200°C dengan menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen murni.

Mekanisme kerjanya dimulai dari reaksi air. Oksigen di katoda menghasilkan ion hidroksil (OH-) yang melewati elektrolit menuju sisi anoda. Di anoda hidrogen akan bereaksi dengan ion hidroksil menghasilkan air dan membebaskan elektron. Elektron dari anoda keluar sebagai tenaga listrik kemudian kembali ke sisi katoda. Di sisi katoda elektron bereaksi dengan oksigen dan air menghasilkan ion hidroksil kembali.
Sel bahan bakar alkali dapat mencapai efisiensi pembangkitan listrik sampai 70 persen. Namun, merekasangat rentan terhadap pencemaran karbon, sehingga membutuhkan hidrogen murni dan oksigen murni. Pengotor dalam AFC dapat menyebabkan reaksi samping dan karbondioksida akan bereaksi dengan elektrolit membentuk endapan karbonat yang akan menutup permukaan katalis dan menghambat reaksi dipermukaan anoda dan katoda.

B.Phasphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Pada sel bahan bakar asam fosfat (PAFC), asam fosfat digunakan sebagai elektrolit dan emas putih (Pt) sebagai anoda dan katoda. Bahan bakarnya menggunakan hidrogen dan oksigen. Suhu pengoperasiannya 120°C-200°C.

Prinsip kerjanya adalah: hidrogen pada sisi anoda dioksidasi menjadi proton dan elektron. Melalui elektrolit, proton berpindah dari anoda ke katoda. Elektron keluar dari sel melalui extenal circuit sebagai energi listrik dan kemudian kembali ke katoda. Di sisi katoda, elektron, proton, dan oksigen bereaksi menghasilkan air. Efisiensi PAFC ini rendah sekitar 40% - 50%, tetapi sudah mulai dikomersialkan untuk menghasilkan listrik 200 kW sampai dengan 11MW.

C.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) menggunakan garam natrium karbonat sebagai elektrolit. Garam karbonat dipanaskan 650°C sehingga meleleh. Lelehan garam dapat menghantarkan ion karbonat melalui elektrolit dari katoda ke anoda. Di sisi anoda ion karbonat bereaksi dengan hidrogen menghasilkan air, karbondioksida, dan electron MCFC. Electron ini sebagai tenaga listrik dan kembali ke katoda. Oksigen dari udara dan karbondioksida bereaksi dengan elektron membentuk ion karbonium yang dihantar oleh elektrolit menuju ke sisi anoda kembali. Reaksi berlangsung pada suhu 650°C.
MCFC ini menggunakan katalis Nikel yang lebih murah dari pada platina. Pada suhu operasi 650°C batu bara lebih sesuai untuk bahan bakar sel. MCFC telah dibuat untuk memproduksi energi listrik sebesar 2 MW.

D.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Elektrolit SOFC menggunakan bahan keramik seperti kalsium oksida atau zircrnium oksida. Suhu operasi 700°C-1000°C. pada suhu tinggi ion oksigen bermuatan negatif bergerak melalui kristal menuju anoda. Sementara itu, molekul hidrogen di anoda dioksidasi oleh ion oksigen menghasilkan ion hidrogen dan membebaskan elektron. Elektron keluar dari sistem melalui external circuit untuk listrik dan masuk ke sisi katoda.
Kelemahan dari SOFC adalah bekerja pada suhu tinggi yang mengakibatkan waktu start up dan start down lama. Selain itu, suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan oksida padat pecah. Sedangkan keunggulannya adalah limbah panas dapat digunakan kembali sebagai pembangkit listrik.

E.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) adalah PEFC yang berbahan bakar hidrogen. PEMFC menggunakan dua katoda sehingga reaksi di masing-masing elektroda adalah reaksi setengah sel, sedangkan bila reaksi terjadi antara anoda dan katoda dinamakan reaksi total sel. Elektrolit PEMFC adalah membrane pertukaran proton, yaitu material yang berbentuk seperti plastik pembungkus yang hanya dapat mengalirkan ion bermuatan positif. Sedangkan elektron yang bermuatan negative tidak akan melalui membran ini. Katalis yang diguakan adalah lembaran kertas karbon yang diberi selapis tipis bubuk platina.
Pada satu unit sel bahan bakar terjadi reaksi di anoda dan katoda. Reaksi yang terjadi pada anoda adalah 2H2 --> 4H+ + 4e-. Sementara 2H2O. hasilàreaksi yang terjadi pada katoda adalah O2 + 4H+ + 4e- samping reaksi ini adalah aliran elektron yang menghasilkan arus listrik serta energi panas dari reaksi.

F.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah sel bahan bakar yang menggunakan membran penukar proton sebagai penghubung antara reaksi di katoda dan anoda. Membran ini menggunakan metanol sebagai sumber energi. Maksud dari kat direct pada direct methanol fuel cell adalah sel bahan bakar ini langsung memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi. Komponen dasar DMFC adalah satu set elektroda (katoda dan anoda) yang dipsahkan oleh sebuah membran. Katoda disini juga berfungsi sebagai katalis. Katoda yang biasa digunakan adalah Platina (Pt).

Pada gambar 7, terlihat di sisi anoda metanol dan air diinjeksikan ke dalam batch reaksi dengan kecepatan konstan. Tumbukan dengan katalis membantu terjadi reaksi konversi metanol secara katalik menjadi proton, CO2, dan elektron. Gas CO2 dikeluarkan dari sistem sementara proton bergerak menyebrangi membran menuju katoda yang kemudian bereaksi dengan oksigen menghasilkan air. Tumpukkan elektron di anoda menghasilkan beda potensial yang memaksa elektron dari reaksi konversi tersebut mengalir dalam sebuah sirkuit arus, dipakai sebagai arus searah oleh peralatan eltronik, kemudian sampai di katoda sehingga mentempurnakan reaksi pembentukan molekul air. Limbah dari DMFC adalah air dan gas CO2 dalam jumlah kecil.

G.Regenerative Fuel Cells (RFC)
Regenerative Fuel Cells (RFC) memisahkan air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dengan bantuan energi yang dihasilkan sel surya. Hidrogen dan oksigen dipancing pada regenerasi sel bahan bakar, menghasilkan energi listrik, panas, dan air. Air yang dihasilkan kemudian disirkulasikan ulang pada elektrolisis dari sel bahan bakar regenaritif dan proses berulang kembali.



H.Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC)
Dalam sel bahan bakar seng-udara, terdapat difusi gas elektroda (Gde), seng anoda yang dipisahkan oleh elektrolit, dan beberapa bentuk pemisah mekanis. Gde adalah membran permeabel yang memungkinkan oksigen atmosfer melewatinya. Setelah oksien dikonversikan menjadi ion hidroksil dan air, ion hidroksil akan melakukan perjalanan melalui suatu elektrolit, dan mencapai anoda seng. Di sini, ia bereaksi dengan seng, dan bentuk oksida seng. Proses ini menciptakan potensial listrik, ketika satu set sel ZAFC yang terhubung, potensi listrik gabungan dari sel-sel ini dapat digunakan sebagai sumber tenaga listrik. Dalam sistem loop tertutup, listrik diciptakan sebagai seng dan oksigen dicampur dalam kehadiran elektrolit, menciptakan oksida seng. Setelah bahan bakar habis, sistem dihubungkan ke grid dan proses terbalik, meninggalkan sekali lagi pellet seng murni bahan bakar

JUAL DVD TUTORIAL SOLIDWORK

DAFTAR PUSTAKA:

http://mahasiswanegarawan.wordpress.com/2007/08/18/sel-bahan-bakar-fuel-cell-sebuah-energi-alternatif-berkelanjutan-dan-ramah-lingkungan/

http://avtr-eng-d-24.blogspot.com/2012/06/fuel-cell-sel-bahan-bakar.html

http://umeblogsite.blogspot.com/2012/03/sel-bahan-bakar-fuel-cell.html

silahkan download versi lengkapnya disini ya gan,,,
FUEL CELL

SEMOGA MEMBANTU YA,,,,
:)