MENGENAL POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL

Print
Category: Listrik & Elektronika
Last Updated on Monday, 20 April 2015 Published Date Written by Sudaryono

Mengenal

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

 

Sudaryono -Widyaiswara PPPPTK BOE Malang

sudaryono_2000@yahoo.com

 

Abstrak

Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cell merupakan sumber tenaga listrik di masa mendatang karena keistimewaannya dibandingkan dengan sumber tenaga lain.  PEM Fuel Cell memiliki energi spesifik yang relatif tinggi dan kemampuan mencatu daya listrik yang cukup besar. PEM Fuel Cell dengan bahan bakar hidrogen dapat mengganti baterai sebagai sumber energi listrik untuk menggerakkan motor listrik pada mobil listrik.  Honda dan Toyota adalah dua pabrikan mobil yang mengembangkan mobil listrik dengan menggunakan sumber tenaga listrik fuel cell. Mereka akan memasarkan mobil listrik dengan bahan bakar hidrogen pada tahun 2015.

 

Kata kunci: PEM Fuel Cell, Hidrogen, Mobil Listrik

 

1.   Pengertian Umum

Fuel cell adalah peralatan elektrokimia yang mengkonversi energi kimia dari bahan bakar menjadi energi listrik secara terus menerus. Fuel cell menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksidannya  adalah gas oksigen atau udara. Dipilih hidrogen sebagai bahan bakar fuel cell karena dianggap memenuhi dua alasan utama yaitu ramah lingkungan dan secara alamiah hidrogen tersedia dalam jumlah besar hingga bisa dimanfaatkan dari generasi ke generasi.  Jenis sumber energi ini mengeluarkan limbah berupa air.

Fuel cell terdiri dari plat anoda, plat katoda dan lapisan elektrolit. Nama  PolymerElectrolyte Membrane Fuel Cell disingkat dengan PEM Fuel Cell diambilkan dari jenis elektrolitnya. Lapisan elektrolit terbuat dari lembar polimer padat sangat tipis yang berupa membran. Selain nama tersebutbiasa juga disebut Proton Exchange Membrane Fuel Cell.

 

2. Perbedaan Baterai Dengan Fuel Cell

Baterai dan fuel cell mempunyai kesamaan membangkitkan energi listrik berdasarkan proses elektrokimia. Jenis listrik yang dihasilkan adalah arus searah. Pada baterai reaktan (bahan yang dikonsumsi untuk reaksi kimia) terdapat di dalamnya, sedangkan pada fuel cell reaktannya (berupa hidrogen dan oksigen) berasal dari luar. Jika reaktan baterai habis harus diisi ulang sehingga setelah dipakai baterai harus diisi kembali. Maka dari itu pada baterai perlu pengisian berulang-ulang. Pada fuel cell hidrogen disimpan dengan menggunakan tangki tekanan tinggi. Oksigen diambilkan dari udara yang dipompakan ke dalam fuel cell.

 

3.  PEM Fuel Cell

Susunan PEM Fuel Cell seperti terlihat pada gambar 1. Jantung dari fuel cell ini adalah membran elektrolit polimer sehingga bagian dari PEM Fuel Cell dimulai dari elektrolitnya yaitu membran.

Keterangan :

A  = Pengumpul Arus Anoda

B  = Kanal Aliran Anoda

C  = Lapisan Katalisator Anoda

D  = Membran Elektrolit Polimer

E  = Lapisan Katalisator Katoda

F  = Pengumpul Arus Katoda

G = Kanal Aliran Katoda

 

a. Membran Polimer Elektrolit

Membran elektrolit pada PEM Fuel Cell adalah jenis plastik dan polimer. Membran Nafion diproduksi oleh DuPont, menyerupai bungkus plastik yang digunakan untuk menutup makanan.

Membran elektrolit polimer mudah menyerap. Membran ini berfungsi menghantarkan ion hidrogen bermuatan positif (proton) dan memblokir elektron. Pergerakan ion hidrogen melalui membran, dalam satu arah saja, dari anoda ke katoda. Selain itu membran elektrolit polimer berfungsi memisahkan gas.

 

b.   Elektroda

Elektroda dibuat dari kain karbon atau serat karbon kertas. Fungsi elektroda berpori di samping memberikan permukaan untuk reaksi elektrokimia, adalah untuk:

a.     menghantarkan elektron yang telah dibebaskan dan sebagai pengumpul arus dan penghubung yang baik dengan sel lain atau beban. Jadi suatu elektroda harus dibuat dari bahan yang memiliki konduktansi listrik yang baik

b.     memastikan gas-gas reaktan terdistri-busi secara merata di dalam sel.

Ada dua elektroda yang terdapat pada fuel cell yaitu :

a.     Anoda adalah terminal listrik negatif dari PEM fuel cell. Anoda menghantarkan elektron yang telah dibebaskan dari molekul hidrogen ke rangkaian luar. Anoda memiliki saluran beralur untuk mendistri- busikan gas hidrogen merata ke permukaan katalis.

b.     Katoda adalah terminal listrik positif dari PEM fuel cell, memiliki saluran beralur yang mendistribusikan oksigen merata ke permukaan katalis. Mereka juga menghantarkan kembali elektron dari sirkuit luar ke katalis kemudian mereka bergabung kembali dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.

 

c.   Katalis

Diantara plat anoda dengan membran dan plat katoda dengan membran terdapat lapisan katalisator.  Katalisator terbuat dari bubuk platina yang sangat tipis dilapisi kertas karbon.  Permukaan katalisator adalah kasar dan berpori sehingga dapat dimasuki hidrogen atau oksigen. Lapisan katalisator berfungsi untuk mempercepat reaksi oksigen dan hidrogen.

Membrane Electrode Assembly (MEA) adalah gabungan dari elektroda dan membran dengan susunan seperti pada gambar 2. Membran elektrolit polimer terletak diantara elektroda anoda dan katoda.

 

d.  Plat Pengumpul Arus

Satu sel fuel cell mempunyai dua plat pengumpul arus yang dipasang pada bagian sisi terakhir yaitu pada sisi anoda dan sisi katoda. sehingga membentuk sel utuh. Plat ini terbuat dari bahan ringan, kuat, kedap gas, dan penghantar elektron. Biasanya menggunakan grafit atau logam meskipun plat komposit sekarang sedang dikembangkan.

Fungsi plat ini adalah:

a.     Mendistribusikan gas hidrogen merata ke seluruh permukaan MEA pada sisi anoda, menyalurkan gas hidrogen keluar dan mendistri-busikan oksigen (udara) ke seluruh permukaan MEA pada sisi katoda.

b.     Mengumpulkan arus. Elektron yang dihasilkan oleh oksidasi hidrogen harus dialirkan lewat anoda, melalui lapisan pendukung dan melalui plat akhir sebelum mereka dapat keluar dari sel. Perjalanan keluar sel melalui rangkaian luar dan kembali masuk ke dalam sel pada plat katoda.

Gambar 3 menunjukkan sebuah sel PEM Fuel Cell yang dihubungkan dengan sebuah beban berupa lampu pijar.

 

4.  Stack PEM Fuel Cell

Tegangan berbeban dari satu sel  PEM fuel cell  berkisar antara 0,7V. Untuk memperbesar tegangan keluaran, beberapa sel dari  PEM fuel cell  dihubungkan seri seperti terlihat pada gambar 4. Tumpukan sel yang terhubung seri yang dikemas menjadi satu unit dikenal dengan nama ”stack”.

 

5. Bagaimana PEM Fuel Cell Bekerja

Untuk memahami cara kerja fuel cell, lihat gambar 5. 

Gas hidrogen dimasukkan ke lubang anoda dan oksigen (bisa diperoleh dari udara) dimasukkan ke lubang katoda. Terminal listrik negatip di anoda dan terminal listrik positip di katoda dihubungkan dengan beban misalnya lampu pijar. Ketika hidrogen mengalir ke dalam fuel cell di sisi anoda, katalis platinum memfasilitasi pemisahan gas hidrogen menjadi elektron dan proton (ion hidrogen). Elektron bermuatan negatip, proton bermuatan positip. Ion hidrogen bergerak menembus membran, sedangkan elektron yang tidak dapat melewati membran, mengalir dari anoda ke katoda melalui sebuah rangkaian luar (lampu pijar). Ion hidrogen setelah menembus membran dan dengan bantuan katalis platinum bercampur dengan oksigen dan elektron di sisi katoda, menghasilkan air. 

 

6. Sistem PEM Fuel Cell 

Gambar 6 menjelaskan sistem PEM fuel cell.  Sistem terdiri dari 3 bagian yaitu stack PEM fuel cell, suplai bahan bakar dan beban.

a.     Stack yaitu sumber listrik yang membangkitkan energi listrik dengan bahan bakar hidrogen dan oksigen. Stack memerlukan pendingin untuk mengurangi panas yang ditimbulkannya. Pada sistem pendingin yang menggunakan air, memerlukan pompa air untuk mengalirkan air. Sirkulasi pendingin stack berasal dari tangki air.  Air disirkulasikan ke stack oleh pompa air. Air keluar dari stack dilewatkan ke alat pelembab udara dan didinginkan oleh pendingin (radiator) lalu dikembalikan ke tangki air.

b.   Suplai bahan bakar.

Gas hidrogen bertekanan disimpan dalam tabung. Gas hidrogen mengalir dari tabung hidrogen ke stack berdasarkan perbedaan tekanan.  Tekanan dari tabung diturunkan melalui katup penurun tekanan.  Aliran hidrogen dibuka dan ditutup oleh katup pengatur aliran.  Hidrogen masuk ke stack dan keluar dari stack tidak dibuang tetapi dialirkan kembali ke stack melalui katup venturi.  Katup pembersih dibuka secara periodik untuk membuang air yang ada di anoda. Untuk mengalirkan udara ke dalam stack diperlukan kompresor udara atau blower. Udara mengalir ke stack melalui kompresor.

c.   Beban.

Beban yang dihubungkan ke PEM fuel cell dapat berupa motor listrik, lampu dan lain-lain. Stack PEM fuel cell memberikan tegangan searah yang nilainya naik turun tergantung arus beban. Oleh karena itu diperlukan konverter untuk menjaga tegangan stack konstan yang diperlukan oleh beban.

 

7.   Aplikasi PEM Fuel Cell

PEM Fuel Cell dapat menghasilkan daya listrik beberapa watt sampai ke ratusan kilowatt. Oleh karena itu, mereka dapat digunakan di setiap tempatyang memerlukan listrik. Aplikasi pada mobil, bus, sepeda motor, dan kapal selam telah dilakukan. PEM Fuel Cell sangat ideal digunakan pada pembangkit listrik untuk didistribusikan ke rumah, bangunan, atau konsumen yang membutuhkan fleksibilitas dalam pemakaian tenaga listrik.

 

Referensi:

1.  Colleen Spiegel, PEM Fuel Cell Modeling and Simulation Using MATLAB, Elsevier Inc, 2008.

2.  J. Larminie, Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained Second Edition, John Wiley & Sons Ltd, England 2003.

3.  Matthew Mench, Fuel cell engines, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008

4.  Sharon Thomas and Marcia Zalbowitz, Fuel Cells – Green Power, Los Alamos, New Mexico.

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG