Fuel Cell Polymer Electrolyte Membrane Membrane Fuel Cell C ell (PEMFC)
Sejarah Singkat Fuel Cell
Fuel cell ditemukan pertama kali di tahun 1839 oleh Sir William Grove. William berpendapat bahwa air dapat pecah menjadi hidrogen dan oksigen dengan bantuan arus listrik. Setelah melalukan percobaan berulang kali dengan hipotesisnya,akhirnya William dapat membuktikan teorinya. Ludwig Mond dan Charles Langer mengubah istilahnya dengan fuel cell sambil berusaha membuat prototype yang menghasilkan energi listrik lima puluh tahun kemudian. Alkaline fuel cell di temukan oleh francis bacon ditahun 1930, yang kemudian di susul pada tahun 1950 General Electic berhasil mengembangkan PEMFC . PEMFC ini mampu membangkitkan daya 1 KW, dengan kelebihan design, lebih compact, jika dibandingkan fuel dibandingkan fuel cell yang yang ditemukan oleh F. Bacon saat itu.
Fuel Cell
Fuel cell merupakan merupakan suatu alat konversi energi elektrokimia yang merubah energi kimia hidrogen (H2) dan oksigen (O 2) menjadi energi listrik dan panas melalui reaksi reduksi elektrokimia yang terjadi pada anoda (kutub positif) dan katoda katoda (kutub negatif) dari sel dengan air (H2O) sebagai hasil sampingnya. Jenis fuel cell ditentukan melalui material yang berfungsi sebagai elektrolit yang mampu menghantarkan proton. Untuk itu jenis fuel cell secara umum ada 6 jenis yakni yakni Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), (DMFC), Alkaline Fuel Fuel Cell (AFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), dan Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) atau Proton Exchange Membrane Fuel Cell merupakan merupakan lapisan tipis padat yang berfungsi sebagai elektrolit pemisah katoda dan
anoda. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell ini secara selektif megatur perpindahan proton dari anoda ke katoda dalam fuel cell. PEMFC memerlukan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk mengoperasikannya untuk menghasilkan energi. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) dapat memberikan densitas daya yang tinggi dan mempunyai kelebihan dalam hal berat dan volume dibandingkan dengan sel bahan bakar jenis lain. PEMFC menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori (porous carbon electrodes) yang mengandung katalis platina. PEMFC hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk sistem operasinya dan tidak membutuhkan cairan korosif seperti pada sel bahan bakar jenis lain. Dengan efisiensi yang mencapai 40 – 50%, PEMFC sudah melebihi nilai efisiensi mesin bakar BBM yang kurang dari 20%.
Gambar 1. Skema Sel Bahan Bakar Membran Penghantar Proton
Keterangan : A = Pengumpul Arus Anoda
E = Lapisan Katalisator Katoda
B = Kanal Aliran Anoda
F = Pengumpul Arus Katoda
C = Lapisan Katalisator Anoda
G = Kanal Aliran Katoda
D = Membran Elektrolit Polimer Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell memiliki beberapa kelebihan yakni : 1. Murah dalam pembuatannya 2. Mempunyai sifat mekanik yang baik
3. Mempunyai hantaran listrik yang rendah 4. Mempunyai hantaran yang cocok untuk aplikasi sel elektrokimia 5. Mempunyai kestabilan kimia, elektrokimia dan fotokimia yang baik Prinsip kerja dari suatu
unit
PEMFC (proton exchange membrane fuel cell
menggunakan reaksi kimia paling sederhana. Didalam PEMFC terdapat empat elemen dasar yakni
anoda sebagai kutub negatif fuel cell . Anoda merupakan elektroda yang akan
mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen sehingga elektron tersebut dapat digunakan di luar sirkuit. Kemudian sebagai kutub elektroda positif fuel cell adalah katoda yang memiliki saluran yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Selain itu juga katoda juga berperan dalam mengalirkan elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga elektron-elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air. Elektrolit merupakan elemen dasar yang ketiga dari PEMFC, berfungsi sebagai membran pertukaran proton (proton exchange membrane/PEM). Katalis, berguna sebagai fasilitasi reaksi oksigen dan hidrogen. Katalis umumnya terbuat dari lembaran kertas karbon yang diberi selapis tipis bubuk platina. Permukaan katalis selalu berpori dan kasar sehingga seluruh area permukaan platina dapat dicapai hidrogen dan oksigen.
Gambar 2. Prinsip Kerja PEMFC
Pada gambar di atas terlihat gas hidrogen yang memiliki tekanan tertentu memasuki fuel cell di kutub anoda. Gas hidrogen ini akan bereaksi dengan katalis dengan dorongan dari tekanan. Ketika molekul H2 kontak dengan platinum pada katalis, molekul akan terpisah
menjadi dua ion H+ dan dua elektron (e -). Elektron akan mengalir melalui anoda, elektronelektron ini akan membuat jalur di luar sirkuit fuel cell dan melakukan kerja listrik, kemudian mengalir kembali ke kutub katoda pada fuel cell . Di kutub katoda fuel cell , gas oksigen (O2) dengan dorongan gaya tekan terjadi reaksi dengan katalis yang mengakitbatkan terbentuknya dua atom oksigen. Pada masing-masing atom oksigen terdapat muatan negative yang besar. Muatan negatif ini akan menarik dua ion H+ keluar dari membran PEM, kemudian ion tersebut bergabung dengan satu atom oksigen dan elektron-elektron dari luar sirkuit untuk membentuk molekul air (H 2O). Disetiap unit fuel cell terjadi reaksi kimia yang terjadi di anoda dan katoda. Pada anoda terjadi reaksi 2H2 4H+ + 4e-. kemudian pada katoda terjadi reaksi O 2 + 4H+ + 4e- 2H2O. Makan pada fuel cell terjadi reaksi 2H2 + O2 2H2O. Hasil samping reaksi kimia ini adalah aliran elektron yang menghasilkan arus listrik serta energi panas dari reaksi. Satu unit fuel cell ini menghasilkan energi kurang lebih 0,7 volt. Karena itu untuk memenuhi energi satu baterai handphone atau menggerakkan turbin gas dan mesin mobil, dibutuhkan berlapis-lapis unit fuel cell dikumpulkan menjadi satu unit besar yang disebut sebagai stack fuel cell .
