Fuel Cell
Sumber enerji masa depan


Jika elektrolisa dapat menguraikan air menjadi gas hidrogen dan oksigen dengan bantuan trik dan elektroda. Pada fuell cell memasukan gas hidrogen dan oksigen dengan bantuan elektrolit dan elektroda untuk memproduksi tenaga listrik.

Distribusi listrik dalam jumlah besar merupakan kesulitan tersendiri terutama untuk daerah yang ‘jauh’. Bvanyaknya saluran listrik tegangan tinggi kurang disukai orang karena ada ‘bahaya’ dan merusak pemandangan. Fuel cell bersama kincir angin dan fotocell merupakan alternatif untuk mmenyediakan listrik untuk daerah terpencil. Foto cell memelukan matahari, kincir angin memerlukan adanya angin dan berisik, sedang fuell cell memerlukan gas hidrogen. Kelebihan dari FC adalah lebih efisien, tidak berisik, tidak mengeluarkan gas buang kecuali air sehingga tidak menyebabkan polusi.

Untuk fuell cell bahan gas oksigen dapat dari udara sedang gas hidrogen dapat diperoleh dari reaksi reformer dari hidrokarbon yang pada saat ini diperoleh dari pabrik besar. Gas hidrogen mempunyai kesulitan untuk disimpan dan ditransport karena molekul yang kecil sehingga sulit untuk dicairkan dan mudah terbakar. Usaha memperoleh hidrogen dengan mudah sedang diusahakan dengan berbagai cara misalnya memperkecil reaktor reformer dengan bahan baku LPG atau gas methane, menguraikan metanol yang dibuat dari pabrik besar tetapi dalam bentuk cair sehingga mudah untuk ditransport. Gas hidrogen dapat juga diperoleh dari methanol setelah diuraikan menjadi gas CO dan hidrogen, kemudian gas CO dioksidasi menjadi CO2 dan air.

Macam bahan bakar lain seperti methan, minyak diesel dapat dipergunakan langsung untuk beberapa jenis fuel cell.

Ion yang bemigrasi dapat sebagai hidrogen, oksigen atau hidroksida. Sedang elektrolit dapat berupa membrane plastik, garam karbonat cair, lapisan oksida keramik, larutan alkali, asam phospat. Elektroda biasanya dari logam platina, nikel.

Konstruksi, elektrode dan elektrolit yang dipergunakan bermacam-macam tergantung dari nama dan jenis fuell cell. Pada saat ini dikenal berbagai macam fuel cell: Alkali (AFC), karbonat cair (MCFC), Asam posfat (PAFC), membran pemindah proton (PEM), oksida padat (SOFC).

AFC, alkali fuel cell
Memerlukan bahan baku gas hidrogen dan oksigen sebagai bahan bakar, elektrolit KOH atau kalium hidroksida, dan dioperasikan pada suhu 150-200 oC. Pada sel ini ion hidroksil (OH-) bermigrasi dari katode menuju anoda. Sedang gas hidrogen berada di anode kemudian bereaksi dengan ion OH- menjadi air bersih dan melepaskan elektron yang dapat membangkitkan listrik. Elektron menuju katode dipergunakan untuk mereaksikan gas oksigen dengan air membentuk ion hidroksil yang akan menuju ke anode melalu difusi kedalam elektrolit. Efisiensi dari proses ini adalah 70%. Air bersih sangat berguna jika cell ini dipergunakan untuk keperluan penerbangan luar angkasa. Kesulitan dari cell ini adalah; mempergunakan elektrode dari platina dan memerlukan bahan bakar yang murni karena kalau ada gas CO2 akan merusak elektrolit KOH dan timbul endapan putih. Keberhasilan diawali dengan penggunaan pada traktor pertanian pada tahaun 1959, kekuatan 15,000 watt dan berat traktor 1500 kg. Teknologi ini pernah dipergunakan oleh NASA untuk misi Apolo ke bulan pada tahun 1960-an.

Karbonat Cair (MCFC)
Diawali dengan riset di Swiss pada tahun 1930, mempergunakan garam karbonat cair sebagai elektrolit pada suhu 650 oC, ion CO3 mengalir dari katode menuju anoda. Pada anoda gas hidrogen bereaksi dengan ion tersebut dan memperoleh air, CO2 dan elektron. Elektron menuju katode dengan memberikan tenaga listrik. Karbon dioksida pada anoda direaksikan dengan oksigen dengan adanya elektron akan memperoleh ion CO3= yang akan dikembalikan kedalam fuell cell. Mempunyai kelebihan lebih tahan tehadap gas CO dibanding dengan FC pada suhu rendah, mempergunakan katode nikel yang lebih murah dibanding platina. Efisiennsi 60% dan dapat menjadi 80% jika memanfaatkan panas yang ada. Kesulitan adalah adanya elektrolit cair dan adanya pemberiasn kompensasi kehilangan ion CO3. Kapasitas terbesar tahun1996-97, 2 MW di Santa Clara, California yang disponsori oleh departemen enerji USA.

PAFC, phosphoric acid fuel cell
Dimulai agak terlambat pada tahun 1961, mempergunakan elektrolit asam posfat, dioperasikan pada suhu 150-200 oC dan mempergunakan platina sebagai elektroda. Gas hidrogen yang dimasukan pada anode dirubah menjadi ioan dan dipindahkan menuju katode melalui elektrolit. Elektron yang dibangkitkan pada anode melalui sirkuit dipergunaskan sebagai pembangkit listrik kemudian dialirkan menuju katoda. Kelebihan dari cell ini karena dioperasikan pada suhu hingga 200 oC, sehingga kurang sensitif terhadap gas CO, dapat diopersikan dengan kadar gas CO 1,5%..kerugiannya karena mempergunakan elektrolit asam maka seluruh bahan konstruksi harus tahan asam. Efisiensi dapat mencapai 40-50%, jika panas dimanfaatkan dapat menjadi 80%. Kapasitas terbesar terpasang 200 kw Yonkers waste treatment plant, di New York.pada tahun 1997. Penggunaan untuk bis transportasi 100 kw di Georgetown yang disponsori oleh departemen Transportasi pada tahun 1998.

SOFC, solid oxide fuel cell
Dimulai dari riset Baur dan Preis dari Swiss pada tahun 1930-an, mempergunakan elektrolit keramik atau oksida padat yang dioperasikan pada suhu 1000 oC. Elektrolit berupa Zirconium yttrium, cerium, lanthanum, tungsten. Popular dengan komposisi Ziconium dan Calsium Oksida yang membentuk lapisan kristal pada permukan elektroda yang berpori. Oksigen yang bermuatan negatif bermigrasi melalui lapisan kristal menuju anoda yang akan mengoksidasi bahan bakar yang mengandung hidrogen pada anoda. Elektron dibangkitkan dari anode menuju katode dipergunakan sebagai tenaga listrik dengan efisiensi 60%.. Keuntungan dari cell ini dapat dipergunakan bahan bakar selain hidrogen. Kapasitas terbesar dipasang pada tahun 2000, sebagai riset dari departemen enerji USA bersama Siemen Westinghouse di California selatan sebesar 250 kw, mempergunakan gas alam sebagai bahan bakar. Perusahaan lain Global Thermoelectric's Fuel CellGlobal Thermoelectric's Fuel Cell di Jerman mempunyai kapasitas 10 kw dengan bahan bakar minyak diesel.

PEM, proton exchange fuel cell
Dimulai dari penemuan oleh GE pada tahun 1960 bekerja sama dengan angkatan laut. Mempergunakan membran plastik tipis sebagai elektrolit, dioperasikan pada suhu 80 oC, untuk mempercepat reaksi dipergunakan katalis platina pada kedua sisi membran. Gas hidrogen melepaskan elektron dengan cara ionisasi pada katalis di anoda kemudian proton yang bermuatan positip menuju katoda dengan menembus membran tipis yang berpori. Sementara itu elektron melalui sirkuit luar mengalir kearah katoda dan dipergunakan sebagai sumber tenaga listrik. Pada katoda elektron, ion hidrogen dan oksigen bereaksi membentuk air dan sedikit panas. Effisiensi dari proses ini mencapai 40-50%. Membran harus dapat mengalirkan proton dan menahan elektro dan gas yang lebih berat.Kemajuan terbesar dari penggunaan PEM dilakukan oleh perusahaan Plug Power pada tahun 1998 yang mempergunakan PEM untuk memproduksi listrik dengan kapasitas rumah tangga yaitu 5 kw.


PEM mempunyai berbagai kelebihan misalnya dioperasikan pada suhu rendah, mempergunakan elektrolit didalam membrane polimer sehingga tipis dan dapat dengan mudah untuk transportasi. Kesulitan dari jenis ini adalah: mempergunakan gas hidrogen sebagai bahan bakar yang sulit untuk ditransportasi, mempergunakan elektroda platina yang berharga mahal.











Membrane yang sering digunakan dari jenis polimer PS, PEEK, PBI, PPS, PTFE yang tersulfonasi mempunyai ketebalan antara 125-250 mm. Kegagalan penggunaan PS pada penerbangan ruang angkasa GEMINI disebabkan karena adanya reaksi dengan senyawa radikal HO2, yang kemudian banyak digunakan polimer dari jenis PTFE seperti Nafion, Flemion, Aciplex, Gore-Select dan lainnya. Pada dasrnya membrane harus memenuhi beberapa persyaratan untuk dapat dipergunakan pada PEM seperti konduktifitas 10-2 – 10-1 S cm -1, kuat, tahan panas, dapat menyerap air diatas 15 H2O/-SO3H. Untuk lebih ekonomis membrane harus dari bahan murah, konduktifitas tinggi diatas suhu 100 oC dan dibawah 0 oC, dapat menyerap air walaupun suhu diatas 100 oC dan dapat tahan untuk dipergunakan lebih dari 10 tahun.