PROTON EXCHANGER MEMBRANE FUEL CELL

PENDAHULUAN Fenomena krisis energi yang melanda dunia akhir-akhir ini mengakibatkan langkanya persediaan minyak dunia sementara konsumsinya terus meningkat, maka perlu dilakukan langkah antisipasi yang berupa kebijakan universal yang mencakup intensifikasi, konservasi dan juga langkah diversifikasi. Indonesia yang sejak tahun 2003 telah menjadi negara pengimpor minyak bumi (net importer) perlu secepatnya menguasai teknologi diversifikasi energi khususnya yang ramah lingkungan, seperti sel bahan bakar (fuel cell). Tabel 1. Perbandingan Sumber Energi Sumber Energi Batu Bara Kelebihan Murah Mudah didapat Nuklir Densitas besar Tidak menimbulkan Efek Rumah Kaca atau Hujan Minyak Bumi Asam Densitas Energi yang Energi yang Kekurangan Polusi yang besar Berkontribusi terhadap Hujan Asam Perlu kontrol yang sangat ketat Ancaman Radiasi Investasi awal yang sangat besar Ketersediaan yang sudah sedikit Harga meningkat Salah satu sumber utama Polusi Tergantung waktu Efisiensi energinya Angin Mudah untuk didapatkan yang sangat rendah Lokasi terbatas konversi masih cuaca dan yang kian

relatif besar Mudah didistribusikan Implementasinya sudah sangat luas Matahari Mudah didapat yang

Biaya konstruksi yang relatif rendah Bio Massa Instalasi sederhana Dapat diperbaharui yang relatif

Instalasi

yang

rentan

terhadap Badai Sumber Polusi Suara Implementasi yang masih kurang Akan besaing dengan kebutuhan Pangan

Fuel cell merupakan generator listrik berbasis energi hidrogen, yang ramah lingkungan dan mempunyai efisiensi konversi yang cukup tinggi. Sumber hidrogen di alam tidak terbatas jumlahnya, dan dapat dibuat dari berbagai sumber energi baru dan terbarukan. Terdapat banyak macam sel bahan bakar, diantaranya adalah 1. 2. Proton Exchange Membran Fuel Cell (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Kedua jenis sel ini menggunakan polimer sebagai membrane elektrolit dan biasanya beroperasi pada suhu yang relatif rendah ( 4H+ + 4e-

Katoda Reaksi Total

: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O : 2H2 + O2 => 2H2O

Pelat Bipolar (Bipolar Plates) Jenis Material Grafit Sifat Logam dan Material Komposit Plastik konduktif Impregnasi dengan Plimer Rapuh dan tebal Konduktivitas tinggi Biaya relatif tingga untuk pembuatan gas flow chanels Baja tahan karat Ni-Cr Alloy Al alloy Konduktivitas tinggi Dapat terkorosi Biaya Raltif tinggi untuk pembuatan gas flow chanels Komposit grafit/Carbon Komposit Karbon-Karbon Ringan dan relatif murah Konduktifitas relatif rendah bila dibandngkan deangan grafit dan

Campurannya

logam Liquid Crystal Polymer (LCP) Konduktifitas relatif rendah

Tabel 2. Material Plat Bipolar Pelat bipolar atau bipolar plate seringkali dikenal pula dengan sebutan flowfield plate atau pelat separator. Pelat bipolar ini digunakan sebagai penghubung elektrik antara dua elektroda dengan kutub yang berbeda. Pelat bipolar berfungsi untuk mendistribusikan gas ke membran, penghantar elektron dari anoda ke katoda, penghantar panas dari dan menuju elektroda mengalirkan produk akhir dalam bentuk air dari tiap sel, penghalang perpindahan gas antar sel, dan menjaga stabilitas struktur dari PMFC itu sendiri. Pelat ini seringkali dilengkapi dengan saluran pendingin sebagai penjaga temperatur. Pelat bipolar dibuat dari material yang memiliki konduktivitas listrik baik dan tidak dapat dilewati oleh gas. Dapat berlaku sebagai pengumpul arus, dan mampu menopang

struktur dari PMFC itu sendiri. Pelat bipolar ini biasanya terbuat dari grafit, logam berlapis seperti aluminium, stainless steel, titanium, dan nikel, atau material komposit berdasar logam atau karbon. Fungsi Pelat Bipolar Pelat bipolar memiliki banyak fungsi dalam lingkungan operasi PEM fuel cell. Fungsi utama pelat bipolar adalah sebagai berikut: Mengalirkan elektron ke seluruh sirkuit mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda dan katoda, menyatukan rangkaian fuel cell yang dilengkapi voltase Mengalirkan dan mendistribusikan gas ke elektroda secara merata Memisahkan oksidan dan bahan bakar gas, memasukkan H2 ke anoda dan Oke Sebagai penguat mekanik sekaligus penahan membran tipis dan elektroda serta Sebagai konduktor panas untuk meregulasikan temperatur fuel cell memindahkan panas dari elektroda ke saluran pendingin.

katoda, serta membuang air hasil reaksi sebagai penjepit rangkaian fuel cell

Gambar 6 Plat Bipolar. End Plat Materialnya dari baja atau aluminium yang berfungsi untuk menyatukan Rangkaian Fuel Cell Penyimpan arus Logam dengan kontak elektrik dan konduktivitas yang baik, biasanya tembaga untuk Menyimpan dan mentransfer arus listrik dari dalam ke luar sirkuit

Contoh Aplikasi PEMFC

Gambar 7. Salah satu Prototype Aplikasi PEMFC Salah satu contoh Aplikasi PEMFC adalah Sepeda Motor. Cara kerjanya adalah : 1. Pertama hidrogen dimasukkan ke dalam tabung atau tangki NiMH (nickel metal

hybrid) buatan Amerika. Tabung ini muat 740 liter hidrogen bertekanan 150 psi. Padahal kalau dilihat kalau diisi air paling muat 1 liter. Bisa muat banyak karena hidrogen bisa ditekan. 2. Dari tabung ini, hidrogen disalurkan menuju safety control hidrogen. Dan diteruskan lagi menuju PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane) atau fuel cell. Bersamaan, dipompakan juga oksigen murni atau O2. Disedot dari udara luar dengan bantuan pompa. 3. 4. Dalam tabung yang terdapat sel itu hidrogen dan oksigen direaksikan. Hasilnya Pada fuel cell yang dipasang di skubek listrik percobaan ini, menghasilkan tegangan berupa energi listrik, air dan panas yang dibuangkeluar. 48 volt 500 watt. Voltase yang dihasilkan sesuai permintaan motor listrik atau dinamo di roda. Guna mengatur kecepatan laju motor, diperintah grip gas seperti di motor pada umumnya.

5.

Pengatur speed diolah Speed Controller (DC Chopper 48 VDC). Tinggal putar grip

gas, didapat kecepatan naik atau turun. Maksimal 45-50 km/jamUntuk kelistrikan lainnya macam lampu dan klakson harus dikonversi agar tegangannya jadi 12 volt. Untuk itu perlu DC converter. Jadi, pada dasarnya motor hidrogen ini tetap seperti motor listrik. Energi listrik diperoleh dari air dan udara yang direaksikan. Bahkan skubek ini juga bisa dibilang hybrid elektrik, jika hidrogen habis, bisa ganti pakai aki. Manfaat dari fuel cell: Dengan potensi untuk menyediakan manfaat yang luas baik dalam peralatan portabel, dan keperluan aplikatif lainnya, teknologi sel bahan-bakar telah diteliti oleh pemerintah dan industri selama lebih dari empat dekade. Secara garis besar keuntungan-keuntungan sel bahan-bakar meliputi: 1. efisiensi;Mampu Untuk mengubah bahan bakar secara langsung ke dalam energi listrik melalui reaksi elektrokimia, sel bahan-bakar dapat menghasilkan kuantitas energi yang lebih besar dibandingkan dengan teknologi pembakaran tradisional. Hal Ini membuat efisiensi bahan bakar lebih tinggi, tergantung pada jenis sel bahan-bakar dan panas berlebih digunakan kembali. Secara sekilas, energi yang dihasilkan oleh pembakaran mengkonversi bahan bakar ke dalam panas, dan kemudian diubah ke dalam daya mekanis, yang menghasilkan gerakan atau putaran untuk menghasilkan energi. langkah- langkah yang berhubungan dengan penggunaan energi pembakaran mengakibatkan rerugi panas, friksi, dan konversi, mengakibatkan efisiensi lebih rendah. Gambar berikut melukiskan cakupan efisiensi bahan bakar pada teknologi generasi listrik yang umum digunakan. 2. Fleksibilitas ukuran;Satu sel bahan-bakar secara khas menyediakan kurang dari satu volt potensi elektrik. Untuk menghasilkan voltase lebih besar, satu sel bahan bakar dikumpulkan dan yang dihubungkan secara seri. sehingga, sel bahan bakar dapat dibangun untuk menyediakan voltase yang sesuai dengan jumlah kebutuhannya tanpa batas aplikasi. Sebagai contoh, beberapa sel(< 1 kW) dapat dikombinasikan untuk aplikasi seperti detektor api, atau beberapa ratus sel bahan-bakar ( 1 MW lebih) dapat dikombinasikan untuk menghasilkan pembangkit tenaga listrik. 3. keandalan tinggi/ pemeliharaan rendah;Keandalan tinggi/ pemeliharaan rendah system sel bahan bakar tidak memiliki komponen yang bergerak. Bahkan untuk generasi awal dari sel bahan bakar menyediakan keandalan tinggi

4.

rendah emisisejak hanya air yang diproduksi pada reaksi antara hydrogen

dan oksigen didalam sel bahan bakar, tidak ada polusi yang dihasilkan apabila digunakan hydrogen murni dalam prosesnya 5. 6. dapat diterima di lingkungan masyarakat fleksibilitas bahan bakar.

Kerugian Fuel Cell Pada pemanfaatan energi fuel cell terdapat beberapa kerugian diantaranya: 1. Pemisahan dan pemurnian hydrogen dari air membutuhkan proses yang cukup sulit dan energi yang cukup besar, sehingga untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut terkadang masih membutuhkan energi yang tidak terbaharukan diantaranya batubara. 2. Hidrogen merupakan molekul yang mudah bereaksi/ bersenyawa dengan molekul carbon (C) sehingga menyulitkan untuk bereaksi dengan O2 karena hydrogen membentuk ikatan hidrokarbon (CH). 3. Beberapa tipe cell bahan bakar bekerja pada temperatur kerja yang tinggi, sehingga berkaitan dengan unsur safety Kendala dari Fuel Cell 1. Beberapa jenis dari fuel cell menggunakan membran yang membutuhkan biaya penelitian yang mahal, sehingga fuel cell masih belum optimal penggunaanya sebagai proses produksi listrik terutama untuk negara berkembang 2. Proses produksi energi listrik dari sel bahan bakar membutuhkan waktu yang cukup lama dibandingkan dengan energi alternatif dan non-alternatif lainnya seperti energi angin dan energi surya. Prospek Fuel Cell di Indonesia Sel bahan bakar diindonesia saat ini masih belum banyak dikembangkan walaupun ada beberapa perusahaan yang mengembangkan energi alternatif ini serta karena SDM di Indonesia masih kalah dalam pengalaman serta pengetahuannya. Selain itu dana yang dibutuhkan sangat besar. TUGAS

MAKALAH PROTON EXCHANGER MEMBRANE FUEL CELL MATA KULIAH : Hydrogen Production and Fuel Cell DOSEN PENGAMPU : Dr. Tutuk Djoko Kusworo, ST, M.Eng

OLEH: ANDY MAILIAN

PROGRAM MAGISTER TEKNIK KIMIA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS DIPONEGORO 2011 DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS DIPONEGORO PROGRAM PASCASARJANA PROGRAM MAGISTER TEKNIK KIMIAJl. Prof. H. Soedarto, SH. Kampus Tembalang Semarang 50239 Telp. (024) 7460058, Fax. (024) 7460055

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas ini telah diselesaikan oleh: Nama : ANDY MAILIAN

Program

:

KHUSUS

Semarang,

14 August 2011

Mengetahui, Dosen Pengampu

Dr. Tutuk Djoko Kusworo, ST, M.Eng