prinsip kerja fuel cell

Anda mungkin pernah mendengar tentang teknologi fuel cell. Pada tahun 2003, Presiden Amerika Bush mengumumkan sebuah program yang disebut Hydrogen Fuel Initiative (HFI). Initiatif ini bertujuan untuk mengembangkan kendaraan yang ramah lingkungan dan hemat biaya dan sumber energi dari kendaraan tersebut adalah hidrogen (fuel cell). Amerika Serikat telah mendedikasikan dana sekitar lebih dari satu miliar dolar untuk penelitian fuel cell ini. Jadi apa sebenarnya fuel cell itu?dan Mengapa Amerika serikat berani mengucurkan dana miliaran dollar hanya untuk teknologi fuel cell ini?

Fuel cell adalah perangkat konversi energi elektrokimia. Sebuah sel bahan bakar mengubah bahan kimia hidrogen dan oksigen sehingga menghasilkan listrik DC. Fuel cell ini menghasilkan tenaga listrik secara efisien dan tanpa polusi. Tidak seperti sumber energi yang menggunakan bahan bakar fossil.

Perangkat elektrokimia lain yang telah kita kenal selama ini adalah baterai. Sebenarnya prinsip kerja fuel cell mirip dengan prinsip baterai yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Hanya saja aliran bahan kimia di baterai tidak terus mengalir sehingga akan terputus dan membuat kita untuk mengisi ulang baterai tersebut. Sedangkan pada fuel cell, aliran bahan kimia mengalir terus ke dalam sel secara sirkulasi sehingga tidak pernah terputus. untuk lebih dekatnya mari kita lihat tipe-tipe dari teknologi fuel cell terlebih dahulu:

Tipe-Tipe Fuel Cell

Ada beberapa jenis fuel cell, masing-masing menggunakan bahan kimia yang berbeda. Fuel cell biasanya diklasifikasikan berdasarkan suhu operasi mereka dan jenis elektrolit yang mereka gunakan. Beberapa jenis fuel cell ada yang digunakan untuk pembangkit listrik stasioner. Selain itu juga berguna untuk aplikasi portabel kecil atau untuk menyalakan mobil. Berikut di bawah ini adalah tipe-tipe dari fuel cell:

Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

Departemen Energi amerika serikat (DOE) sangat fokus untuk meriset PEMFC karena jenis ini yang mempunyai peluang besar untuk aplikasi transportasi. PEMFC memiliki kepadatan daya yang tinggi dan suhu operasi yang relatif rendah (60 sampai 80 derajat Celsius) sehingga tidak butuh waktu lama untuk pemanasan dalam menghasilkan listrik.

Solid oxide fuel cell (SOFC)

SOFC ini adalah tipe yang paling cocok untuk digunakan dalam skala besar pembangkit listrik stasioner yang dapat menyediakan listrik untuk pabrik atau kota. Jenis fuel cell ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (700 sampai 1.000 derajat Celsius). Mungkin Suhu tinggi ini lah yang akan menjadi sedikit masalah ketika fuel cell sedang beroperasi karena fuel cell akan pecah jika tiba tiba mati. Namun, jenis SOFC ini sangat stabil bila digunakan secara terus menerus. Bahkan, SOFC telah menunjukkan masa operasi terpanjang dari setiap sel bahan bakar dalam kondisi operasi tertentu. Suhu yang tinggi juga memiliki keuntungan karena uap yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat disalurkan ke turbin untuk menghasilkan listrik yang lebih banyak. Proses ini disebut co-generasi panas dan daya (CHP) dan meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem.

Alkaline fuel cell (AFC)

Jenis AFC Ini adalah salah satu desain tertua untuk kategori fuel cell. Program luar angkasa Amerika Serikat telah menggunakan mereka sejak 1960-an. Kekurangan AFC ini sangat rentan terhadap kontaminasi dengan zat lain sehingga membutuhkan hidrogen murni dan oksigen. Selain itu, AFC juga sangat mahal sehingga jenis fuel cell yang satu ini tidak mungkin dikomersialkan.

Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Seperti SOFC, jenis ini juga paling cocok untuk pembangkit listrik stasioner besar. Mereka beroperasi pada 600 derajat Celcius dan mereka dapat menghasilkan uap yang dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga lebih.

Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

fuel cell asam fosfat ini memiliki potensi untuk digunakan dalam sistem tenaga-generasi kecil stasioner. Ia beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dari fuel cell PEMFC sehingga memiliki waktu yang lebih lama dalam hal pemanasan dari kondisi awal. Hal ini lah yang membuat PAFC ini tidak cocok untuk digunakan dalam sistem mobil.

Direct-methanol fuel cell (DMFC)

fuel cell metanol ini sebanding dengan PEMFC dalam hal suhu operasi hanya saja kurang efisien. DMFC membutuhkan jumlah platinum yang relatif besar untuk bertindak sebagai katalis. 

Dari keseluruhan tipe fuel cell diatas amerika paling berfokus riset pada tipe PEMFC sebagai sumber energi pada kendaraan di masa mendatang.

Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)merupakan salah satu teknologi fuel cell yang paling menjanjikan untuk digunakan sumber energi dalam kehidupan sehari-hari kita seperti mobil, bus dan bahkan mungkin rumah kita. PEMFC menggunakan salah satu reaksi yang paling sederhana dari setiap fuel cell.

Dalam Gambar di atas Anda dapat melihat ada empat elemen dasar dari sebuah PEMFC:

• Anoda

Anoda memiliki beberapa fungsi untuk membebaskan elektron dari molekul hidrogen sehingga mereka dapat digunakan dalam sebuah sirkuit eksternal yang memiliki saluran ke dalam untuk membubarkan gas hidrogen di atas permukaan katalis.

• Katoda

Katoda memiliki saluran untuk mendistribusikan oksigen ke permukaan katalis. Hal ini juga menyebabkan elektron kembali dari sirkuit eksternal ke katalis, di mana mereka dapat bergabung kembali dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.

• Elektrolit

Elektrolit adalah membran pertukaran proton. Bahan ini diperlakukan khusus hanya untuk mengalirkan ion bermuatan positif dan membran menghadang aliran elektron. pada PEMFC, membran harus terhidrasi agar dapat berfungsi secara stabil.

• Katalis

Katalis adalah bahan khusus yang memfasilitasi reaksi oksigen dengan hidrogen. Katalis ini biasanya terbuat dari platinum nanopartikel yang sangat tipis dan dilapisi dengan kertas karbon atau kain.

Efficiency fuel cell

Pengurangan polusi adalah salah satu tujuan utama dari teknologi fuel cell. Dengan membandingkan sistem fuel cell dengan sistem mobil bensin dan mobi listrik bertenaga baterai, Anda dapat melihat bagaimana fuel cell dapat meningkatkan efisiensi mobil pada saat ini. Karena dari semua sistem sumber energi mobil di atas memiliki banyak komponen yang sama yaitu ban, transmisi, dan sebagainya, kita akan mengabaikan bagian mobil dan membandingkan efisiensi mereka sampai ke titik dimana daya dan torsi yang dihasilkan. Mari kita mulai dengan mobil dengan sistem fuel cell.

Jika sistem fuel cell ini didukung dengan hidrogen murni maka ia memiliki potensi efficiency hingga 80 persen. Itu artinya fuel cell ini mampu mengonversi 80 persen dari kandungan energi hidrogen menjadi energi listrik. Namun, kita masih perlu untuk mengubah energi listrik tersebut menjadi kerja mekanik agar ban mobil bisa berjalan. Hal ini dilakukan dengan motor listrik dan inverter. Untuk efisiensi motor / inverter kita asumsikan sekitar 80 persen. Jadi kita memiliki efisiensi 80 persen dalam menghasilkan listrik dan efisiensi 80 persen untuk mengubahnya menjadi energi mekanik. Dan secara keseluruhan jika dijumlahkan maka efficiency sistem fuel cell ini sekitar 64 persen. Sedangkan Honda FCX yang masih menjadi kendaraan konsep dilaporkan hanya memiliki efisiensi energi sekitar 60 persen.

Selanjutnya, kita akan menganalisa tentang efisiensi mobil bensin dan mobil listrik.

Efisiensi mobil bertenaga bensin pada kenyataannya cukup rendah. Semua panas yang keluar sebagai gas buang atau yang masuk ke radiator banyak terbuang sia sia. Mesin mobil bensin ini juga banyak dibebani untuk memutar berbagai equipment yaitu pompa, kipas angin dan generator. Jadi efisiensi keseluruhan mesin bensin dapat diperkirakan sekitar 20 persen. Artinya, hanya sekitar 20 persen dari konten thermal energi bensin diubah menjadi energi mekanik.

Sedangkan mobil listrik bertenaga baterai memiliki efisiensi cukup tinggi. Efisiensi Baterai diperkirakan sekitar 90 persen dan efisiensi motor listrik dan inverter sekitar 80 persen. Hal ini memberikan efisiensi secara keseluruhan sekitar 72 persen.

Tapi itu bukan keseluruhan cerita. Listrik yang digunakan untuk menyalakan mobil harus dihasilkan terlebih dahulu pada suatu tempat. Jika energi tersebut  itu dihasilkan di pembangkit listrik yang menggunakan proses pembakaran batu bara dan bukan angin, nuklir, tenaga air, ataupun tenaga surya maka efisiensi dari mobil listrik ini hanya sekitar 40 persen jika kita hitung dari bahan bakar yang dibutuhkan oleh pembangkit listrik dikonversi menjadi listrik hingga menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menggerakkan ban mobil. Selain itu, proses pengisian mobil juga harus diubah dari arus listik bolak-balik (AC) menjadi arus listrik searah (DC). Proses pengisian ini memiliki efisiensi sekitar 90 persen.

Jadi, jika kita melihat sistem tersebut secara keseluruhan maka efisiensi mobil listrik sekitar 72 persen untuk sistem mobil dan 40 persen untuk pembangkit listrik lalu 90 persen untuk sistem pengisian mobilnya. maka jika kita lihat secara keseluruhan maka akan diperkirakan sebesar 26 persen. Sebenarnya efisiensi secara keseluruhan pada mobil listrik ini masih bervariasi dan tergantung pada jenis pembangkit listrik yang digunakan. Jika sumber energi listrik yang digunakan pada mobil listrik ini bersumber pada pembangkit listrik tenaga air, angin, sinar matahari(solar cell), panas bumi(geothermal) yang pada dasarnya adalah gratis maka efisiensi mobil listrik tersebut bisa kita katakan sekitar 65 persen.

Para ilmuwan sekarang sedang meneliti dan mendesain penyulingan untuk terus meningkatkan efisiensi dari sistem fuel cell. Satu pendekatan adalah untuk menggabungkan fuel cell dengan baterai. Ford Motors dan Airstream sedang mengembangkan sebuah kendaraan konsep yang diaktifkan oleh drivetrain fuel cell hybrid bernama HySeries Drive. 

Tantangan dari teknologi fuel cell

Teknologi fuel cell mungkin bisa menjadi salah satu jawaban untuk masalah kita terhadap kebutuhan energi kita pada saat ini, tetapi para ilmuwan telah mengungkapkan beberapa masalah utama, yaitu:

• Biaya

Banyak dari potongan-potongan komponen fuel cell  yang sangat mahal. Untuk sistem PEMFC, membran pertukaran proton, katalis logam mulia (biasanya platinum), lapisan difusi gas, dan pelat bipolar membentuk 70 persen dari sistem biaya [Sumber: Penelitian Dasar Kebutuhan untuk Ekonomi Hidrogen]. Agar harganya  kompetitif jika dibandingkan dengan kendaraan bertenaga bensin maka sistem fuel cell harus memberikan biaya  sebesar $ 35 per kilowatt. Saat ini, harga produksi volume tinggi yang diproyeksikan sekitar $ 73 per kilowatt [Sumber: Garland].

• Daya tahan

Para peneliti harus mengembangkan PEMFC membran yang tahan lama dan dapat beroperasi pada suhu lebih besar dari 100 derajat Celcius dan juga masih berfungsi di sub-nol suhu ambien. Target suhu 100 derajat Celsius diperlukan agar fuel cell memiliki toleransi yang lebih tinggi untuk kotoran dalam bahan bakar. 

• Hidrasi

Karena membran PEMFC harus  terhidrasi untuk mentransfer proton hidrogen, penelitian harus menemukan cara untuk mengembangkan sistem fuel cell yang dapat terus beroperasi dalam suhu di bawah nol, lingkungan kelembaban rendah dan suhu operasi yang tinggi. Pada sekitar 80 derajat Celsius, hidrasi hilang tanpa sistem hidrasi tekanan tinggi.

• Delivery

Rencana Teknis untuk fuel cell menyatakan bahwa teknologi compressor udara yang tersedia saat ini tidak cocok untuk digunakan karena ini akan menyebabkan sistem pengiriman bahan bakar hidrogen bermasalah.

• Infrastruktur

Agar PEMFC kendaraan ini bisa menjadi alternatif bagi konsumen maka harus ada generasi hidrogen dan infrastruktur pengiriman. Contoh Infrastruktur tersebut adalah pipa, transportasi truk, stasiun pengisian bahan bakar dan pembangkit hidrogen.

• Safety

Ada juga masalah keamanan yang terkait dengan penggunaan fuel cell. Para Insinyur harus merancang sistem pengiriman hydrogen ini secara aman dan reliable.

- See more at: http://birulinc.com/prinsip-kerja-fuel-cell/#sthash.nbnpnbxh.dpuf