Sel Pembakaran (Fuel Cell) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik

SEL PEMBAKARAN (FUEL CELL) SEBAGAI

ALTERNATIF PENGHASIL ENERGI LISTRIK

TANPA POLUSI

BAHAN LISTRIK

PUTU RUSDI ARIAWANNIM. 0804405050

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA

JIMBARAN-BALI2010

PUTU RUSDI ARIAWAN ii

ABSTRAK

Sel Pembakaran adalah suatu sistem tertutup yang menghasilkan energi listrik

dari reaksi elektrokimia yang dirancang untuk operasi kontinyu dengan reaktan

berupa bahan bakar yang menghasilkan hydrogen, yang disuplai secara kontinyu dan

produk yang dihasilkannya juga diambil secara kontinyu. Komponen-komponen

utama penyusun dari sel pembakaran adalah bahan bakar, elektrolit, dan elektroda.

Pengoperasian produksi hidrogen dengan cara digandengkan dengan generator

lain pada sistem Sel Pembakaran dapat ditingkatkan, seperti pada penggunaan

teknologi fotovoltaik. Karakteristik umum suatu sel bahan bakar adalah rapat energi

yang tinggi, suhu operasi diatas 300oC dan panas yang tinggi, bahan bakar yang

digunakan adalah hydrogen dan oksigen.

Pemanfaatan sistem sel pembakaran dapat memberikan justifikasi tentang

alternatif sarana transportasi dan mesin-mesin diesel menjadi mesin-mesin listrik

yang menggunakan sel pembakaran. Selain itu bahan bakar hidrogen pada sistem fuel

cell untuk sektor transportasi perlu diprioritaskan, karena sarana transportasi

merupakan kontributor terbesar, baik dalam penggunaan BBM.

PUTU RUSDI ARIAWAN iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas

berkat rahmat dan petunjuk-Nyalah Paper Sel Pembakaran sebagai Alternatif

Penghasil Energi Listrik Tanpa Polusi ini dapat diselesaikan. Dengan karunia

kesehatan dan kesempatan dari-Nya pula, laporan ini pun dapat rampung tepat pada

waktunya.

Ucapan terima kasih kami berikan kepada semua pihak yang telah banyak

membantu kami dalam penyusunan laporan ini. Khususnya kepada Bapak Ir. Ketut

Wijaya selaku dosen mata kuliah Bahan Listrik Jurusan Teknik Elektro dan juga

berbagai pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu persatu.

Laporan ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Bahan Listrik.

Disamping itu juga untuk memberikan informasi kepada para pembaca mengenai

materi Sel Pembakaran sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik Tanpa Polusi.

Kami menyadari sepenuhnya laporan ini masih jauh dari sempurna,

sehingga kami sebagai penyusun mengharapkan berbagai saran dan kritik yang

bersifat membangun, agar nantinya dapat dijadikan pedoman bagi kami dalam

penyusunan laporan berikutnya.

Denpasar, Agustus 2010

Penyusun

PUTU RUSDI ARIAWAN iv

DAFTAR ISI

JUDUL .............................................................................................................i

ABSTRAK ..................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR ................................................................................... iii

DAFTAR ISI .................................................................................................. iv

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... vi

DAFTAR TABEL ......................................................................................... vii

I. PENDAHULUAN ...................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .............................................................................. 2

1.3 Tujuan Penulisan ................................................................................ 3

1.4 Manfaat Penulisan .............................................................................. 3

1.5 Batasan Masalah ................................................................................ 3

1.6 Sistematika Pembahasan..................................................................... 3

II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 5

2.1 Pengertian dan Jenis-jenis Sel Volta .................................................. .5

2.2 Pengertian Sel Pembakaran................................................................ 5

2.3 Hukum Faraday Tentang Arus Listrik .............................................. 6

2.3.1 Hukum Faraday I....................................................................... 6

2.3.2 Hukum Faraday II.......................................................................6

2.4 Pengertian Potensial Sel Elektroda .................................................... 7

II. METODELOGI PENELITIAN .............................................................. 8

3.1 Objek Penelitian ............................................................................... 8

3.2 Data .................................................................................................. 8

3.2.1 Jenis data ............................................................................... 8

3.2.2 Sumber data........................................................................... 8

3.2.3 Metode pengumpulan data ................................................... 9

3.3 Tahap-tahap Pengolahan Data .......................................................... 9

PUTU RUSDI ARIAWAN v

3.4 Teknik mengambil kesimpulan ........................................................ 9

BAB PEMBAHASAN .................................................................................... 10

4.1 Gambaran Umum Sel Pembakaran .................................................. 10

4.1.1 Komponen –Komponen Penyusun Sel Pembakaran................ 10

4.2 Cara Kerja Sel Pembakaran ............................................................. 13

4.2.1 Tahapan dari Cara kerja Sel Pembakara .................................. 14

4.2.2 Karakteristik Sel Pembakaran ................................................ 15

4.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar Dalam Beberapa Bidang.................. 17

4.4 Keunggulan dan kelemahan Dari Sel Pembakaran ........................... 20

4.4.1 Keunggulan Sel Pembakaran .................................................. 20

4.4.2 Kelemahan Sel Pembakaran.................................................... 21

BAB V PENUTUP

5.1 Simpulan .............................................................................................. 22

5.2 Saran-saran........................................................................................... 23

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 24

PUTU RUSDI ARIAWAN vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 4.1 Sel Pembakaran .......................................................................... 10

Gambar 4.2 Sel Pembakaran Pada handphone dan Laptop............................. 17

Gambar 4.3 Sel Pembakaran pada Pesawat Antariksa ....................................... 19

PUTU RUSDI ARIAWAN vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Mekanisme Reakasi pada Sel Pembakaran ................................... 14

PUTU RUSDI ARIAWAN 1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Meningkatnya penguasaan ruang, waktu, dan materi menuntut semakin

besarnya sumber energi yang diperlukan. Sebut saja alat transportasi seperti mobil

atau bus, alat komunikasi seperti laptop, handphone dan televisi, peralatan rumah

tangga, sampai eskalator atau lift di gedung bertingkat. Semua benda tadi

memerlukan energi. Tanpa pasokan energi, segala jenis teknologi tersebut tidak

akan berfungsi.

Energi listrik merupakan salah satu energi yang tak dapat dipisahkan dari

kehidupan manusia. Berbagai macam fasilitas yang ada sekarang ini memerlukan

energi listrik dalam penggunaannya. Bahkan tanpa adanya listrik kegiatan

manusia akan menjadi terhambat, oleh sebab itu banyak Pembangkit listrik yang

dibangun untuk memenuhi kebutuhan akan energi listrik

Pertumbuhan jumlah penduduk yang semakin bertambah juga membuat

kebutuhan akan energi listrik juga semakin bertambah .oleh sebab itu diperlukan

suatu altrnatif untuk mengubah energi lain menjadi energi listrik . Sumber energi

alternatif sudah lama didengungkan untuk segera dipakai. Dari sisi teknologi dan

ketersediaan bahan baku juga sudah tak diragukan lagi. Beberapa alternatif energi

yang telah banyak di aplikasikan misalnya : photovoltaic, angin, biomasa, dan

sebagainya terbukti mempunyai prospek yang bagus, namun demikian masih

perlu ditingkatkan efisiensi dan kerapatan energinya. Demikian pula halnya

energi nuklir, meskipun mempunyai kerapatan energi yang tinggi dan telah

banyak ahli, yang mampu mengontrol reaksinya, namun belum ada satupun

negara maju didunia yang tidak dipusingkan oleh masalah penyimpanan serta

masalah terhadap efek radiasi yang berkepanjangan. Demikian juga Teknologi


konvensional menggunakan minyak bumi sebagai sumber energi dipandang

kurang efisien serta menimbulkan polusi udara. Pembakaran minyak bumi

menghasilkan karbon monoksida (CO) dan karbondioksida (CO2) yang

berbahaya. Disaat semakin terbatasnya cadangan minyak dunia dan semakin

bertambahnya polusi udara , berita menggembirakan datang dari Konsorsium Fuel

Cell Indonesia. Yaitu dengan dibuatnya Fuel Cell (Sel Pembakaran), salah satu

energi alternatif yang bisa menggantikan kebutuhan energi utama saat ini

Sebagaimana diketahui, cadangan migas Indonesia diperkirakan akan habis dalam

waktu 10-20 tahun mendatang.

Teknologi fuel cell (Sel Pembakaran) yang berbahan bakar dasar hidrogen.

adalah “Perangkat elektronika yang mampu mengonversi perubahan energi bebas

suatu rekasi elektrokimia menjadi energi listrik,”. Prinsip kerja fuel cell adalah

proses elektrokimia di mana hidrogen dan oksigen digunakan sebagai bahan

bakar. Komponen utama fuel cell terdiri dari elektrolit berupa lapisan khusus

yang diletakkan di antara dua buah elektroda. Proses kimia yang disebut

pertukaran ion terjadi di dalam elektrolit ini dan menghasilkan listrik serta air

panas. Yang paling menggembirakan Sel Pembakaran menghasilkan energi listrik

tanpa adanya pembakaran dari bahan bakarnya, sehingga tidak ada polusi yang

ditimbulkannya. Oleh sebab itulah Sel Pembakaran diharapkan dapat menjadi

alternative energi bagi industri listrik di masa yang akan datang .

1.2 Rumusan Masalah

Beranjak dari latar belakang masalah diatas dapat diambil beberapa rumusan

masalah yang menyangkut sel pembakaran diantaranya :

1. Bagaimana gambaran umum dari Sel Pembakaran?

2. Bagaimana karakteristik dan cara kerja Sel pembakaran?

3. Dalam bidang apa saja kegunaan dari Sel Pembakaran?

4. Apa keuntungan dan kelemahan dari Sel Pembakaran?


1.3 Tujuan Penulisan

Adapun yang menjadi tujuan dalam penulisan laporan ini adalah :

1. Mengetahui gambaran umum yang dimaksud Sel Pembakaran

2. Untuk mengetahui karakteristik dan cara kerja Sel pembakaran

3. Mengetahui di bidang apa saja kegunaan dan kelemahan dari Sel

Pembakaran

4. Mengetahui Keuntungan dan Kelemahan dari Sel Pembakaran

1.4 Manfaat Penulisan

Manfaat dari pembuatan laporan ini adalah:.

1. Sebagai referensi dalam pengembangan lebih lanjut mengenai Sel

Pembakaran.

2. Sebagai acuan ataupun menjadi pertimbangan bagi industri kelistrikan di

dalam merencanakan pemakaian Sel Pembakaran sebagai bahan energi

listrik.

3. Menambah pengetahuan mengenai Sel Pembakaran sebagai bahan energi

listrik baik bagi mahasiswa atau mahasiswi maupun bagi masyarakat umum.

1.5 Ruang lingkup dan Batasan Masalah

Melihat luasnya permasalahan dalam penyusunan laporan ini, maka perlu

dibatasi permasalahannya pada masalah pembuatan, cara kerja, pemanfaatan dan

karakteristik Sel Pembakaran sebagai bahan energi listrik.

1.6 Sistematika Pembahasan

Adapun sistematika pembahasan yang digunakan dalam penulisan laporan

ini adalah :


BAB I : PENDAHULUAN

Berisikan secara lengkap gambaran umum isi tulisan, mulai latar

belakang, rumusan masalah, tujuan, manfaat, batasan masalah yang akan

dibahas dan sistematika penulisan mengenai Sel Pembakaran.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Dalam bab ini memaparkan kepustakaan yang berisikan tentang konsep

dan penggunaan Sel Pembakaran secara umum dan karakteristik Sel

Pembakaran isolasi dalam bidang keteknikan.

BAB III : METODE PENELITIAN

Dalam bab ini diuraikan tempat dan waktu penelitian, sumber data dan

jenis data.

BAB IV : PEMBAHASAN

Dalam bab ini membahas hasil penelitian yang telah dilakukan guna

mengetahui cara kerja Sel Pembakaran (Fuel Cell).

BAB V : PENUTUP

Merupakan bab yang berisikan kesimpulan dari uraian pembahasan dan

saran-saran yang menghubungkan dengan pembahasan sebelumnya.


BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian dan Jenis-Jenis Sel Volta

Sel Volta adalah suatu perangkat pengubah energi kimia menjadi energi listrik

melalui suatu reaksi reduksi-oksidasi yang berlangsung secara spontan dalam

perangkat tersebut.

Jenis-jenis sel volta antara lain :

1. Sel Daniel

2. Sel Lachlance ( Baterai)

3. Sel Accu

4. Sel Pembakaran

2.2. Pengertian Sel Pembakaran




produk yang dihasilkannya juga diambil secara kontinyu. Atau dengan kata lain Sel

Pembakaran adalah sebuah device elektrokimia yang mampu untuk mengubah energi

kimia ke energi listrik secara kontinu. Sel Pembakaran dan Baterai memiliki suatu

perbedaan yang mendasar . Pada sebuahbaterai biasa, energi kimia yang diubah oleh

sebuah sel adalah tetap. Jika bahan bakar (fuel) dan oksidan di baterai telah habis ,

maka baterai tersebut harus di ganti atau di isi ulang (charge) . Selain itu perbedaan

mendasar yang terdapat antara sebuah sel bahan bakar dengan baterai biasa

ditentukan dengan supply bahan bakar (oksidan) ke dalam sel . Pada sel pembakaran ,

energi dipasok terus menerus ( kontinyu), hal ini tidak ubahnya dengan sebuah mesin

yang memerlukan bahan bakar untuk mengubah dari energi kimia menjadi energi


mekanik. Sedangkan pada sel pembakaran, energi yang dihasilkan langsung menjadi

energi listrik.

Berdasarkan pengertian diatas dapat disimpulkan bahwa suatu sel pembakaran

didasarkan pada reaksi kimia sebagai berikut :

2H2 (g ) + O2 (g ) => 2H2O (l) + energi listrik .

2.3. Hukum Faraday Tentang Arus Listrik

2.3.1 Hukum Faraday I

"Massa zat yang terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding dengan

kuat arus/arus listrik yang mengalir pada elektrolisis tersebut".

96500

eitm dan tiq .

Keterangan :

m = massa zat yang dihasilkan (gram)

e = berat ekivalen = Ar/ Valens i= Mr/Valensi

i = kuat arus listrik (amper)

t = waktu (detik)

q = muatan listrik (coulomb)

2.3.2 Hukum Faraday II

"Massa dari macam-macam zat yang diendapkan pada masing-masing

elektroda (terbentuk pada masing-masing elektroda) oleh sejumlah arus listrik yang

sama banyaknya akan sebanding dengan berat ekivalen masing-masing zat tersebut."

Rumus: m1 : m2 = e1 : e2

Keterangan : m = massa zat (garam)

e = beret ekivalen = Ar/Valensi = Mr/Valensi


2.4. Pengertian Potensial Sel Elektroda

Potensial Sel Elektroda merupakan ukuran terhadap besarnya kecenderungan

suatu unsur untuk melepaskan atau mempertahankan electron.

Cara Menghitung Potensial Elektroda Sel

1. E° sel = E° red - E° oks

2. E sel = E° sel - RT/nF ln C

Pada 25° C :

E sel = E° sel - 0.059/n log C

Keterangan :

E° = potensial reduksi standar (volt)

R = tetapan gas - [ volt.coulomb/mol.°K] = 8.314

T = suhu mutlak (°K)

n = jumlah elektron

F = 96.500 coulomb

C = [bentuk oksidasi]/[bentuk reduksi


BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Objek Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada sel pembakaran yang difokuskan pada emisi

yang dikeluarkannya tidak menimbulkan polusi. Sehingga aman untuk lingkungan

sekitar

3.2. Data

Jenis Data

Jenis data yang dipergunakan adalah :

a. Data Kuantitatif

Yaitu data yang berupa angka-angka,gambar, tabel yang ada hubungannya

dengan permasalahan seperti Besarnya Potensial Listrik yang dihasilkan

b. Data Kualitatif

Yaitu data yang berupa uraian atau keterangan yang berhubungan dengan

permasalahan misalnya kegunaan Sel Pembakaran .

Sumber Data

Data yang dipergunakan bersumber dari :

a. Data Interen

Yaitu data yang diperoleh langsung dari dalam objek penelitian yang

berupa keterangan-keterangan yang mendukung objek penelitian ini seperti :

Gambaran umum Sel Pembakaran dan karakteristik Sel Pembakaran.


b. Data Extern

Yaitu data yang diperoleh atau bersumber dari luar objek penelitian

tetapi masih mempunyai hubungan erat dengan objek penelitian yaitu

penggunaan perangkat Sel pembakaran pada berbagai bidang teknologi .

3.2.3 Metode pengumpulan Data

Mengumpulkan data dengan cara membaca buku beberapa teori dari buku

literatur yang ada hubungannya dengan Sel Pembakaran

Tahap-Tahap Pengolahan Data

Adapun tahap-tahap pengolahan data adalah sebagai berikut:

1 Mencari hal-hal penting yang berhubungan dengan penulisan dari buku-buku

atau literatur lainnya.

2 Menentukan rumusan masalah yang akan dibahas.

3 Menyusun data yang diperoleh menurut sistematika laporan.

4 Menarik kesimpulan yang bisa menjawab rumusan masalah.

3.4 Teknik Mengambil Kesimpulan

Berbagai pertimbangan penulis dalam menarik kesimpulan adalah sebagai

berikut.

1. Kesimpulan langsung berhubungan dengan rumusan masalah yang

dibuat.

2. Kesimpulan diperoleh dari hasil pertimbangan yang tidak sepihak, tetapi

berdasarkan berbagai referensi.

3. Kesimpulan merupakan jawaban dari masalah dan tujuan penulisan


BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Gambaran Umum Sel Pembakaran




produk yang dihasilkannya juga diambil secara kontinyu

Gambar 4.1 Sel Pembakaran

4.1.1 Komponen –Komponen Penyusun Sel Pembakaran

Berdasarkan reaksi kimia diatas dapat diketahui bahwa komponen-komponen

utama penyusun dari sel pembakaran adalah:

A. Bahan Bakar

Bahan bakar merupakan bagan penting dari sel pembakaran yang dapat

menyediakan gas hidrogen pada reaksi diatas. Jenis bahan bakar yang digunakan

biasanya berupa Gas Alam (CH4) dan bahan bakar minyak. Kedua jenis bahan bakar


ini dapat dibakar secara elektrokimia untuk menghasilkan energi listrik melalui dua

cara yaitu :

Cara I :

CH4 (g ) + H2O (g ) => CO (g ) + 3H2 (g )

Cara II :

CO (g ) + (H2O (g) => CO2 (g) + H2 (g )

Dari reaksi diatas bahan bakar yang kita gunakan akan menghasilkan gas

hydrogen yang nantinya berguna dalam reaksi sel pembakaran.

Hidrogen dapat berfungsi sebagai energi untuk semua kegunaan sebagaimana

layaknya minyak bumi dan gas alam, selain itu keberadaannya hanya ditemukan di

alam dalam bentuk senyawa. Hidrogen yang tersedia di alam hanya terdapat dalam

air dan senyawa organik berbentuk senyawa hidrokarbon(Metana ,Butana, Propana.),

seperti gas alam, batubara, dan biomassa. Oleh karena itu hidrogen harus diproduksi

melalui penggunaan energi sebelum hidrogen itu sendiri tersedia sebagai sumber

energi. Pemotongan ikatan-ikatan kimia di dalam air akan menghasilkan hidrogen

yang dapat dipergunakan sebagai bahan bakar. Hidrogen dapat dihasilkan melalui

beberapa proses, di antaranya proses elektrolisa, fotoelektrokimia, sel fotokimia,

steam reforming, dan proses fotobiologi.

Hidrogen dapat pula dihasilkan dengan menggandeng sumber-sumber energi

terbaru seperti : energi air, energi surya, energi angin, dan energi panas bumi. Dalam

kaitannya dengan energi primer dan sekunder, maka dalam hal ini dapat dibedakan

antara produksi pembawa energi primer dengan produksi pembawa energi sekunder.

Produksi energi primer saat ini berarti produksi hidrogen dari bahan bakar fosil

melalui reforming gas alam dan batubara. Dalam penghasilan hydrogen ini , Senyawa

penghasil hydrogen tidak perlu dibakar untuk dapat menghasilkan hydrogen cukup

dengan reaksi kimia saja. Hal inilah yang membuat salah satu keistimewaan dari sel

bahan bakar yang tidak menimbulkan polusi. Sedangkan Produksi pembawa energi


sekundernya adalah Hidrogen itu sendiri yang nantinya akan bereaksi dengan oksigen

untuk menghasilkan energi listrik.

B. Elektrolit

Adalah suatu zat yang dapat menghantarkan listrik. Pada sel pembakaran

elektrolit berfungsi membawa electron melalui sel dan ion yang larut didalam

setengah reaksi di setiap elektroda. Biasanya dipilih larutan basa sebagai elektrolit

sebab larutan asam biasanya menimbulkan masalah korosi

Ada 3 jenis, elektrolit yang digunakan dalam sel pembakaran diantaranya :

a) Elektrolit Cair

Memiliki suhu kerja O sampai 200°C

Contoh : KOH (Kalium Hidroksida)

b) Elektrolit Lumer

Memiliki suhu kerja 500°C hingga 700°C

Contoh : Alkali karbonat cair ( K2 CO3, Na2 CO3, Li2 CO3)

c) Elektrolit Padat

Memiliki suhu kerja diatas 700°C

Contoh : Zr O2 ditambah CaO atau Y2O3

Perubahan jenis elektrolit juga merekayasa jenis material dan sistem

elektrodanya. Beberapa jenis elektrolit yang telah dikembangkan para penemu antara

lain cairan alkali (alkali fuel cell/AFC), cairan karbonat (molten carbonate fuel

cells/MCFC), asam fosfat (phosphoric acid fuel cells/PAFC), membran pertukaran

proton (proton exchange membrane fuel cells/PEMFC), serta oksida padat (solid

oxide fuel cells/SOFC).

C. Elektroda

Elektroda berfungsi menghantarkan hidrogen ke dalam dan keluar dari sel

serta mempermudah pertukaran antara gas dan ion dalam lautan elekrolit. Anoda


sebagai kutub negative Sel Pembakaran merupakan elektroda yang akan mengalirkan

elektron yang lepas dari molekul hydrogen sehingga elektron tersebut dapat

digunakan di luar sirkuit. Pada materialnya elektroda dilengkapi saluran-saluran agar

gas hydrogen yang dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis. Katoda sebagai

kutub elektroda positif fuel cell yang juga memiliki saluran yang akan menyebarkan

oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan dalam mengalirkan

elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga Elektron-elektron tersebut dapat

bergabung dengan ion hydrogen dan oksigen untuk membentuk air.Elektroda dapat

berupa konduktor non reaktif (karbon, platina).

Platina adalah logam berat ,berwarna putih keabu_abuan ,tidak korosif, sulit

terjadi peleburan dan tahan terhadap sebagian besar bahan kimia . Massa jenisnya

21,4 gr.cm3, koefisien muai panjangnya 9. 10-6 / C, titik leleh 1775 C dan titik didih

4530 C resistivitasnya 0,1 mm2/m. Karbon dipilih sebagai elektroda karena Tidak

lumer, menghantarkan listrik ,sifat tidak larut ,kemurnian kimianya, tahan terhadap

kejutan termalkekuatan mekanisnya tinggi.

4.2 Cara Kerja Sel Pembakaran

Pada prinsipnya sebuah sel pembakaran bekerja dengan prinsip diatas . Dua

buah elektrode karbon yang tercelup dalam larutan elektrolit (dalam hal ini asam) dan

dipisahkan dengan sebuah pemisah gas. Bahan bakar ,dalam hal ini Hydrogen

digelembungkan melewati permukaan satu elektrode melewati elektrode lainnya.

Ketika kedua elektrode yang secara listrik dihubungkan dengan beban luar,

beberapa hal terjadi yaitu :

a. Hidrogen menempel pada permukaan katalitik Elektrode kemudian

membentuk ion ion Hidrogen dan Elektron.

b. Ion ion Hidrogen (H+) migrasi melewati elektrolit dan pemisah gas ke

permukaan katalitik elektrode oksigen


c. Secara simultan, Elektron-elektron bergerak melewati lintasan luar

(external circuit) pada permukaan katalitik yang sama

d. Oksigen, ion-ion hydrogen, dan elektron bersatu pada permukaan

elektrode membentuk air (H2O)

Mekanisme reaksi pada sel bahan bakar ini (elektrolit asam dan basa) dapat

dilihat pada Reaksi berikut :

Tabel 4.1 Mekanisme reaksi pada sel bahan bakar

Elektrolit Asam Elektrolit Basa

Anode : H2 2H+ + 2e

Katode : O2 + 2H+ + 2e H 2O

Total Reaksi : H2 + O2 H2O

2H2 + 4OH- 4H2O + 4e

O2 + 4e + 2H2O 4OH-

2 H2 + O2 2H2O

Perbedaan mendasar pada secara elektrokimia adalah konduktor dalam larutan

asam adalah ion hydrogen (H+) dan (OH-) atau ion hidroksil dalam elektrolit basa.

Pada elektrolit asam, air dihasilkan di katode sedangkan pada sel bahan bakar jenis

basa air di hasilkan di anode.

4.2.1 Tahapan dari Cara kerja Sel Pembakaran

Sel Pembakaran memiliki cara kerja yang dapat dibagi menjadi beberapa

tahap diantaranya :

1. Bahan bakar dibakar sehingga menghasilkan gas Hidrogen (H2) kemdian

gas H2 dioksidasi pada Anoda berdasarkan reaksi H2 + 2OH => 2H2O + 2ê

pada sisi yang lain. Gas oksigen dialirkan untuk direduksi pada katoda

berdasarkan reaksi ½ O2 + H2O + 2 ê => 2OH.

2. Larutan elektrolit Kalium Hydroksida (KOH) membantu membawa

muatan (Elektron) melalui sel dan ion yang larut didalamnya. Untuk ikut

serta dalam reaksi diatas.


3. Akibat adanya reaksi redoks ini maka diperolehlah. Potensial oksidasi

(Pada suhu 25ºC konsentasi 1 M dan tekanan 1atm) = 0,828V. Potensial

reduksi (Pada suhu 25ºC konsentasi 1 M dan tekanan 1atm) = 0,401V.

4. Akibat dari adanya perbedaan potensial maka terbentuklah tegangan sel

sebesar = Potensial reduksi – potensial oksidasi.

= 0,41 volt - (-0,828) volt.

=1, 229 volt.

4.2.2 Karakteristik Sel Pembakaran

Sel Pembakaran ini di klasifikasikan sebagai pembangkit tenaga (power

generator) sebab sel bahan bakar ini dapat beroperasi secara kontinu atau selama ada

pasokan bahan bakar (fuel) dan oksidan, maka sel pembakaran dapat bekerja. Adapun

yang menjadi karakteristik umum suatu sel bahan bakar adalah sebagai berikut :

a. Sangat efisien (>85%)

Konversi energi kimia dari bahan bakar ke energi listrik memerlukan tiga

langkah proses. Proses yang saat ini banyak digunakan pembangkit tenaga listrik

ketiga tahap tersebut adalah :

- Produksi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar

- Konversi dari panas ke energi mekanik

- Konversi energi mekanik ke energi listrik

Untuk mesin combusi tahap pertama dan kedua di kombinasikan dengan cara

yang umum. Effisiensi pada tahap kedua terbatas. Effisiensi totalnya hanya sekitar

41%. Pada sel pembakaran tahap kedua tidak diperlukan lagi sehingga effisiensinya

mencapai 85 %.

b. Modular (dapat ditempatkan dimana di perlukan )

Sel pembakaran ini mempunyai rapat energi yang tinggi. Sebuah sel bahan


bakar yang dipakai pada salah satu spacecraft atau wahana antariksa dengan berat 30

kg , panjang 63,5 cm dan diameter 31.7 cm dapat mengasilkan energi 1 Kw pada

tegangan 26,5 V,dan digunakan selama 14 hari misi di luar angkasa.Dengan rapat

energi yang besar dan ukuran (volume ) yang tidak besar,maka sel bahan bakar ini

dapat diletakkan di mana diperlukan.

c. Ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah)

Secara teoritis, limbah atau emisi yang dihasilkan adalah air (H2O). Berbeda

dengan pada pembakaran biasa dengan menggunakan mesin, dimana emisi yang

dihasilan adalah gas gas yang berpotensi untuk mencemari lingkunganseperti : Sox,

Nox, dan CO. Selain itu jika menggunakan pembangkit daya yang konvensional,

polusi kebisingan juga dapat terjadi. Sel Pembakaran ini tidak menghasilkan suara,

karena seperti halnya baterai biasa yang tidak menimbulkan suara, sel pembakaran ini

juga demkian. Perbedaannya, jika baterai biasa memerlukan penggantian elektrolit

dan pengisian ulang, maka sel bahan bakar tidak memerlukan hal tersebut, akan tetapi

jika bahan bakarnya habis, maka sel ini juga tidakdapat berfungsi. Selain itu

keuntungan menggunakan sel bahan bakar ini adalah, limbah-limbah emisi seperti

CO, dapat dimasukkan ke sel ini menghasilkan CO2 dan energi .

d. Panas yang terbuang dapat di recovery

Ada beberapa jenis sel pembakaran yang memerlukan suhu operasi diatas 300oC

dan panas yang tinggi. Tentunya panas yang hilang dapat dipulihkan lagi dengan

reaksi yang terjadi di dalamnya.

e. Bahan bakarnya flexible

Bahan bakar yang digunakan untuk sel bahan bakar dapat digunakan beberapa

macam, kebanyakan menggunakan Hydrogen dan oksigen sebagai bahan bakar dan


oksidan nya. Selain menggunakan kedua bahan tersebut, bahan bakar lain yang

dicoba digunakan antara lain ammonia , Hydrokarbon, methanol dan batubara.

f. Cocok untuk keperluan unattended operation

Sel Pembakaran ini sangat cocok digunakan untuk keadaan unattended

operation dimana energy dengan rapat energi yang besar diperlukan.

4.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar Dalam Beberapa Bidang

Adapun beberapa penggunaan dari Sel Pembakaran adalah :

1. Pembangkit energi listrik

2. Penyedia energi listrik dalam Telepon Seluler (Hand Phone)

Sel pembakaran dikembangkan pada pembuatan elemen penyedia energi

listrik dalam Telepon Genggam (hand phone). Sel bahan bakar mungil yang

berkekuatan 10 kali lebih besar dari pada yang dihasilkan oleh baterai ion-Li

ini, juga sangat effisien untuk membantu menghasilkan gambar-gambar

bergerak dan aplikasi lain yang membutuhkan energi tinggi pada barang-

barang elektronik. Penemuan CNT ini semakin membuka peluang untuk

mewujudkan pembuatan semikonduktor, monitor display yang sangat tipis,

juga material yang super kuat dan ringan. Adapun gambar dari perangkat

tersebut adalah sebagai berikut.

Gambar 4.2 Sel Pembakaran Pada Hand Phone dan Laptop


3. Penyedia energi listrik pada kendaraan luar angkasa

Badan ruang angkasa AS, NASA, sebagai salah satu pengembang

sumber energi hydrogen berbasis reaksi kimia mengaku tengah

mengembangkan sel Pembakaran. Sejauh ini, mereka masih merasa bahwa sel

Pembakaran yang telah terpasang pada sejumlah pesawat ulang alik masih

memiliki sejumlah kekurangan. Sel Pembakaran ini hanya menghasilkan

energi listrik bila berada dalam suhu ekstrim 1.000° Celcius.

Oleh karena itulah, NASA mengembangkan sel bahan bakar sejenis

yang bereaksi pada suhu lebih rendah, sekitar 500° Celcius. Pada dasarnya,

reaksi antara Hydrogen dan oksigen, selain menghasilkan energi listrik dan

panas, juga akan menghasilkan H2O (air), CO2 (karbondioksida), dan O2

(oksigen). Melihat hasil samping reaksi ini, tidak mustahil air dan oksigen

menjadi senyawa yang memiliki nilai positif. Airnya dapat diminum dan

oksigen untuk respirasi. Sebagai contoh, sekitar 0,5 kilogram Hydrogen murni

dan empat kilogram oksigen murni, bila digabungkan untuk menghasilkan 4,5

kilogram air, memberikan energi yang cukup untuk membuat tetap

menyalanya bola lampu 60 watt selama 325 jam. Reaksi hydrogen-oksigen

merupakan sumber energi yang sedemikian baiknya, sehingga reaksi tersebut

digunakan secara praktis dalam sel Pembakaran yang pertama-tama

digunakan sebagai generator daya jangka panjang pada pesawat antariksa

Gemini V dan Apollo. Adapun gambar dari Sel pembakaran pada pesawat

antariksa adalah sebagai berikut:


Gambar 4.3 Sel Pembakaran pada Pesawat Antariksa Gemini dan Appollo

4. Kendaraan bermotor

Dalam sistem ini, bahan bakar hidrogen dan oksigen tidak dibakar,

melainkan diubah secara langsung menjadi energi listrik dan uap air dalam

suatu reaksi dingin. Bahan bakar ini diproses oleh Proton Exchange

Membrane Fuel Cell (PEMFC). Di dalamnya terdapat elektrolit (electrolyte),

yang terdiri atas lembaran polimer dengan ketebalan sekitar 1/10 mm dan

dilapisi dengan sebuah katalis berisi platinum pada kedua sisinya. Katalis

membantu ionisasi hidrogen dan reaksi ion hidrogen dengan oksigen. Ia juga

mencegah terjadinya "reaksi panas". Sebuah proses elektrokimia di dalam

lembaran tipis tadi memungkinkan cuma proton dapat lewat, sementara

elektron hidrogen ditinggalkan. Di sisi lain, ion-ion hidrogen bereaksi dengan

oksigen. Kelebihan elektron pada hidrogen dan kekurangan elektron pada

oksigen menghasilkan kutup positif dan negatif, kutup tempat energi listrik

dimanfaatkan. Energi untuk "pompa pengisian" ini diperoleh dari reaksi gas

hidrogen (H2) dengan oksigen (O2) yang menghasilkan energi listrik dan uap

air (H2O).Dengan mengkombinasikan sejumlah besar sel dalam suatu yang

disebut stacks, energi yang diperlukan, menjadi tersedia untuk menggerakkan

kendaraan. Pengendalian jumlah energinya dilakukan dengan mengatur

pasokan oksigen. Ketika energi itu menggerakkan motor. Hasil sampingan


dari penggunaan sel Pembakaran adalah Uap air hal ini merupakan hal yang

sangat menggembirakan mengingat tidak akan terjadinya polusi seperti yang

terjadi sekarang ini .

5. Komputer

Dalam bidang teknologi informasi (TI). Produsen komputer jinjing

(laptop) Jepang misalnya, mengembangkan teknologi ini pada sejumlah

produknya.yaitu dengan sel Pembakaran metanol langsung (direct methanol

fuel cell) yang termasuk kedalam sel Pembakaran alkalin. Dapat

menghasilkan energi yang dihasilkan oleh sel pembakaran methanol ini

bahkan bisa 5-10 kali lebih besar baterai Lithium-ion.

4.4 Keunggulan dan kelemahan Dari Sel Pembakaran

Sel Pembakaran ternyata memiliki beberapa keunggulan dan kelemahan

dibandingkan dengan sumber penghasil energi listrik lainnya .

4.4.1 Keunggulan Sel Pembakaran.

1. Sel Pembakaran tidak menimbulkan polusi udara ,sebab hasil sampingan

dari reaksinya hanya berupa air ,hal ini membuat sel pembakaran sangat

ramah lingkungan

2. Dapat menghemat penggunaan Bahan bakar Fosil seperti minyak bumi

yang keberadaannya sudah semakin menipis .

- Bahan baku dari sel pembakaran adalah hidrogen ,yang mana

hidrogen tersedia dalam jumlah universal dan jumlah yang tak

terbatas

- Sel Pembakaran memiliki efisiensi energi listrik yang dihasilkan

sebesar 85 % ,hal ini lebih besar dari efisiensi pembangkit energi

listrik lainnya

- Sel Pembakaran bisa menggunakan berbagai bahan bakar yang

mengandung unsure hydrogen (H2) seperti gas alam, hydrogen,

methanol, etanol, metana, propane, butane, dan bahan bakar lainnya


- Sel Pembakaran dapat bekerja selama 24 jam, dan dapat bertahan

selama sepuluh tahun

4.4.2 Kelemahan Sel Pembakaran

1. Kebutuhan infrastruktur untuk pendistribusian hidrogen ke tempat

penggunanya. Alternatifnya adalah membangun tempat pengisian ulang

bahan bakar beserta dengan pembangkitnya sekaligus. Dimana hal ini

memerlukan biaya yang tinggi

2. Daya yang dihasilkan masih tergolong kecil walaupun efisiensi sel

pembakaran tergolong baik .

3. Pembangkit listrik seperti halnya listrik PLN selain memerlukan Sel

Pembakaran berkapasitas besar, juga membutuhkan inverter untuk

mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik untuk bisa

diinterkoneksikan dengan jaringan listrik yang ada.


BAB V

PENUTUP

5.1 Simpulan

Dari hasil kajian diatas, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Hidrogen akan mampu menggantikan pemakaian bahan bakar fosil yang dapat

mendekati emisi nol, yaitu emisi tanpa ada gas/partikel hidrokarbon tanpa CO,

CO2, CH. Tetapi hanya menghasilkan hasil sampingan berupa H2O(air)

2. Pengoperasian produksi hidrogen dengan cara digandengkan dengan generator

lain pada sistem Sel Pembakaran dapat ditingkatkan, seperti pada penggunaan

teknologi fotovoltaik.

3. Pendistribusian gas hidrogen pada pemanfaatan sistem Sel Pembakaran akan

sangat menguntungkan bagi negara kita dalam membuka lahan bisnis,

menghemat devisa negara, dan mengurangi pencemaran udara di sektor

transportasi.

4. Pemanfaatan sistem Sel pembakaran dapat memberikan justifikasi tentang

alternatif sarana transportasi dan mesin-mesin diesel menjadi mesin-mesin

listrik yang menggunakan Sel pembakaran

5. Pemanfaatan bahan bakar hidrogen pada sistem fuel cell untuk sektor

transportasi perlu diprioritaskan, karena sarana transportasi merupakan

kontributor terbesar, baik dalam penggunaan BBM

6. Semakin optimum daya beban hingga mendekati nilai kapasitas maximum ,

semakin banyak konsumsi gas hidrogennya

7. Untuk mengatasi kendala yang ada diperlukan suatu penelitian lebih lanjut

yang berorientasi pada :

a. Mencari elektrokatalis alternatif yang murah tetapi mempunyai kinerja

yang baik

b. Pembuatan membran dengan bahan baku yang tersedia


c. Pembuatan elektroda dengan bahan baku yang ada

d. Perbaikan kinerja system dengan simulasi arah aliran bahan bakar dan

oksidan.

e. Penyediaan bahan bakar hidrogen dari bahan baku yang tersedia.

f. Adanya suatu pilot projek pelistrikan mandiri sekala mikro

g. Pembutan sub-sistem untuk power conditioningnya seperti inverter,

dan sejenisnya.

5.2 Saran

Pemanfaatan bahan bakar hidrogen pada sistem sel pembakaran untuk sektor

transportasi perludiprioritaskan, karena sarana transportasi merupakan kontributor

terbesar, baik dalam penggunaan BBM secara nasional maupun pencemaran

lingkungan.

Penelitian dan pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk mengembangkan

Sel Pembakaran sebagai alternatif penghasil energi listrik untuk keperluan

masyarakat banyak.


DAFTAR PUSTAKA

Indulkar, Dr. 1976. Electric Energy System Engineering. Delhi : Khana Publisher

Muhaimin. 1993. Bahan-Bahan Listrik Untuk Politeknik. Jakarta : PT Pradnya

Paramita.

_ _ _ . 2003 Http;//www. wikipedia.org/wiki.com

_ _ _ . 23 Januari 2003. Media Indonesia.

_ _ _ . 4 Juli 2003. Sinar Harapan


BIODATA PENULIS

Nama : Putu Rusdi Ariawan

TTL : Denpasar. 19 April 1990

Agama : Hindu

Mahasiswa Teknik Elektro Unv. Udayana

Email : [email protected]

www.facebook.com/turusdi

Sel Pembakaran (Fuel Cell) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik

Documents

Transcript of Sel Pembakaran (Fuel Cell) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik