fuel cell

FUEL CELL

FUEL CELLAsep Andi Suryandi (23212059)Eko Aptono Tri Yuwono (23212092)

PengertianFuel cell atau sel bahan bakar merupakan peralatan elektrokimia yang dapat mengkonversi secara langsung bahan bakar menjadi energy listrik dan panas melalui proses kimia tanpa proses pembakaran. Prinsip kerja fuel cell mirip dengan prinsip kerja baterai. Tetapi tidak seperti baterai yang merupakan peralatan penyimpan energi yang pada suatu saat akan habis energinya, fuel cell dapat terus menghasilkan energy selama terus diberikan reaktan yang biasanya berupa hydrogen dan oksigen.SejarahTeknologi fuel cell pertama kali ditemukan oleh Sir William Grove pada tahun 1839, penemuan ini dilakukan secara tidak sengaja pada saat percobaan elektrolisis. Pada saat Sir William Grove melepas baterai dan menghubungkan kedua elektroda, dia mengamati terdapat arus yang mengalir dengan arah berlawanan dan gas oksigen dan hydrogen pada tabung terkonsumsi. Sir William Grove menamakan fenomena ini dengan nama Gas Baterry.

Sejarah(Lanj.)Aplikasi fuel cell didemonstrasikan secara komersil pertama kali ketika NASA menggunakan fuel cell dengan bahan bakar nitrogen dan oksigen untuk menyediakan listrik dan air pada misi penerbangan ruang angkasa Apollo pada tahun 1960. Unit fuel cell yang digunakan mampu menghasilkan energy listrik sebesar 1.5 kilowatt secara kontinu.Prinsip KerjaPada fuel cell hydrogen di dalam sel dialirkan pada sisi anoda dan oksigen dialirkan pada sisi katoda. Dengan adanya katalis pada anoda akan memudahkan pemisahan gas hydrogen menjadi electron dan proton (ion hydrogen). Ion hydrogen ini menyeberangi membrane dan bertemu oksigen pada sisi katoda, dan dengan bantuan katalis terjadi reaksi kimia antara ion Hidrogen dengan oksigen membentuk air. Elektron yang mengandung muatan tidak dapat melewati membran dan mengalir menuju katoda dari anoda melalui rangkaian eksternal. Aliran electron inilah yang menyebabkan aliran listrikPrinsip Kerja(Lanj.)

Pada anoda, hydrogen dioksidasi melepaskan dua proton (ion hydrogen) dan dua electron ;

Dan reaksi kimia pada katoda terjadi reduksi oksigen

Sehingga reaksi keseluruhan adalah

Komponen Penting Fuel CellElektrolitElektrodaLapisan Difusi GasPlat Bipolar

ElektrolitElektrolit berfungsi untuk mengantarkan ion positif dari anoda ke katodaMembran elektrolit ini bersifat proton exchange (H+) di mana dalam strukturnya akan terjadi suatu mekanisme pertukaran ion sehingga konduktifitas proton yang diharapkan pada kondisi humidified membrane 2 x 10-2 S/cm (ketahanan 0,05 ohm cm untuk membran dengan ketebalan 50 mikrometer). Selain itu ketahanan dan kestabilan terhadap zat kimia dan termal (300C) sangatlah menentukan performance arus yang dihasilkan.ElektrodaPermukaan Elektroda merupakan tempat semua reaksi elektrokimia terjadi. Untuk mempercepat reaksi didalam selumumnya elektroda mengandung partikel katalis seperti platina atau alloy platina dengan logam muliaLapisan Difusi GasKomponen dengan ketebalan (100 300 mikrometer) adalah komponen yang berhubungan langsung dengan lapisan katalis, dibuat dari bahan yang berpori, bersifat konduktif terhadap elektron dan bersifat hidropobik, sehingga mampu mendistribusikan gas dan air sekaligus sebagai transfer elektron.Pada umumnya material berupa kertas karbon atau kain karbonLapisan ini menyediakan kontak listrik antara elektroda dan plat bipolarPlat BipolarSebagian besar fuel cell terdiri atas struktur stack dengan plat bipolar yang juga disebut dengan plat separator atau plat bidang alir yang memisahkan reaktan dari unit sel sebelahnya.Komponen ini juga bertindak sebagai pengambil arus dan pendukung strucktur dari stackJenis-JenisProton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)High temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell (HT-PEM)Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)Alkaline Fuel Cell (AFC)Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)Elektrolit: membrane solid polymerCatalyst / elektroda : platinumTemperatur operasi : 50 100oCEfisiensi: 40 60 %Fuel cell jenis PEM beroperasi pada temperature yang relative rendah, dan mempunyai variasi output yang cepat untuk mengimbangi perubahan kebutuhan beban. PEM sangat cocok digunakan pada aplikasi yang membutuhkan startup yang cepat seperti pada kendaraan atau forklift selain itu PEM juga digunakan sebagai backup power, distributed generator, dan lain lain. PEM fuel cell menggunakan bahan bakar gas hydrogen, methanol. Penggunaan elektrolit yang solid dapat mengurangi terjadinya korosi dan mempermudah pemeliharaan elektrolit.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)

Reaksi Electrochemical:

High temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell (HT-PEM)Fuel cell jenis ini mempunyai karakteristik yang sama dengan fuel cell jenis PEM akan tetapi beroperasi pada temperature yang tinggi (120oC 200oC). HT-PEM dapat digunakan pada kendaraan, dan aplikasi pada bangunan perumahan maupun komersial skala kecil.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)Elektrolit: membrane solid polymerCatalyst / elektroda : pada umumnya platinumTemperatur operasi : 50 120oCEfisiensi: sampai 40 %Fuel Cell jenis ini mempunyai konfigurasi yang mirip dengan fuel cell jenis PEM. Pada DMFC menggunakan membrane polimer sebagai elektrolit. Pada DMFC, gas hydrogen akan langsung ditarik dari cairan methanol pada elektroda anoda sehingga tidak memerlukan fuel reformer. Temperature operasi yang rendah, dan tidak diperlukannya fuel reformer membuat fuel cell jenis ini dapat diaplikasikan pada peralatan elektronis seperti laptop, charger batterai dampai aplikasi tingkat menengah seperti sumber listrik pada perahu, atau perkemahan.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Alkaline Fuel Cell (AFC)Elektrolit : Potassium hidroksida telarut dalam airCatalyst / elektroda :dapat menggunakan berbagai macam elektroda Temperatur operasi : 90 100 oCEfisiensi: 60 - 70 %NASA telah menggunakan Alkaline fuel cell dengan bahan bakar sejak misi luar angkasa pada tahu 1960 sebagai sumber listrik dan sumber air bersih. Fuel cell AFC banyak digunakan pada aplikasi militer dan aplkasi luar angkasa. Katoda bereaksi dengan cepat pada alkali sehingga fuel cell jenis ini mempunyai performa yang tinggi.Alkaline Fuel Cell (AFC)


Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)Elektrolit: Larutan asam fosfatCatalyst / elektroda : elektroda karbon dengan penguat platinum.Temperatur operasi : 150 200 oCEfisiensi: 36 - 42 %PAFC dapat dioperasikan dengan bahan bakar hasil pengolahan hidrokarbon atau biogas. Reaksi yang terjadi pada elektroda anoda dan katoda sama dengan pada PEM. Dengan temperature operasi yang tinggi membuat fuel cell jenis ini lebih mempunyai toleransi terhadap ketidakmurnian bahan bakar. PAFC banyak digunakan pada generator combine cycle dimana panas yang dihasilkan oleh fuel cell ini dimanfaatkan kembali untuk memanaskan air dll. Kelemahan fuel cell jenis ini adalah startup yang cukup lama. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)


Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)Elektrolit : pada umumnya terdiri dari alkali karbonat (Na & K) dalam larutan ceramicsCatalyst / elektroda : temperature yang tinggi memungkinkan penggunaan elektroda non platinumTemperatur operasi : 600 700 oCEfisiensi : 50 - 60 %Temperatur operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan bahan bakar gas hidrokarbon dapat dikonversikan menjadi hydrogen pada fuel cell itu sendiri (internal reforming). Fuel cell jenis MCFC tidak rentan terhadap CO2, bahkan tipe fuel cell ini dapat menggunakan karbon dioksida sebagai bahan bakar. MCFC sangat cocok digunakan pada sumber pembangkit dengan daya besar dan aplikasi combine cycle. Akan tetappi temperature yang tinggi membuat fuel cell ini rentan terhadap korosi, selain itu kelemahan lain adalah waktu start up yang cukup panjang.Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)


Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)Elektrolit : Ceramic solid, umumnya yttria-stabilized zirconia (YSZ)Catalyst / elektroda : temperature yang tinggi memungkinkan penggunaan elektroda non platinumTemperatur operasi : 700 100 oCEfisiensi : 50 - 60 %Temperature operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan bahan bakar gas hidrokarbon dapat dikonversikan menjadi hydrogen pada fuel cell itu sendiri (internal reforming), walaupun bentuk hidrokarbon yang lain dapat digunakan akan tetapi memerlukan eksternal reformer. SOFC sangat cocok digunakan pada sumber pembangkit dengan daya besar dan aplikasi combine cycle. Penggunaan elektrolit yang solid memudahkan dalam pemeliharaan, akan tetappi temperature yang tinggi membuat fuel cell ini rentan terhadap korosi, selain itu kelemahan lain adalah waktu start up yang cukup panjang.Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)


Perbandingan Teknologi Fuel Cell

Aplikasi Fuel CellTransportasiDistribution GenerationTelekomunikasiTransportasi

Dengan menggantikan motor bakar dari mobil konvensional, sehingga dapat mengurangi polusi udara akibat emisi hasil pembakaran mesinTransportasi

Perbandingan Fuel Cell vs Battery

Perbandingan Fuel Cell vs Battery

Distribution Generation

Satu unit distribution generation kapasitas 250 kW (Photo courtesy of Ballard Power)TelekomunikasiSebagai sumber tenaga cadangan bagi BTS

Tangki Hidrogen di salah satu BTS di Indonesia, setiap tangki mampu membangkitkan listrik sebesar 7 kWHTelekomunikasi

Telekomunikasi

Kendala Didalam Pengembangan Fuel CellBiaya pembangkitan mahalButuh temperatur tinggi untuk pengoperasiannyaDibutuhkan tangki pengaman yang tebal bila menggunakan hidrogenBiaya PembangkitanAgar lebih kompetitif didalam pembangkitan listrik biaya sistem pembangkitan fuel cell harus diturunkan. Dimana untuk bahan bakarnya saja fuel cell bisa mencapai $ 4,000/kW berbanding jauh dengan biaya bahan bakar fosil yang berkisar antara $800-1500/kW Perkiraan Biaya Pembangkitan Fuel Cell

Sumber: GSMA Green Power For MobileBiaya Pembangkitan PLT Lain

KesimpulanFuel Cell dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif karena memiliki efisiensi yang tinggi dan ramah lingkugan Fuel Cell jenis PEM merupakan salah satu jenis fuel cell yang paling tepat diaplikasikan untuk pembangkit listrik skala kecil sebagai sumber tenaga cadangan karena memiliki kemampuan start up yang cepatFuel cell tidak menghasilkan emisi karena tidak terdapat proses pembakaran didalamnyaDimulainya penggunaan sistem fuel cell merupakan tantangan dalam menghadapi masalah global seperti faktor pencemaran lingkungan akibat penggunaan energi fosil, danterbatasnya sumber daya energi fosilMenurunkan biaya pembangkitan fuel cell merupakan salah satu tantangan agar pembangkit ini bisa lebih kompetitif dengan jenis pembangkit lain

Video Sistem Fuel Cell

Video Mobil dengan Sistem Fuel Cell

fuel cell

Documents