Bahan Bakar Sel (Fuel Cell)

Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan suatu piranti elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung dengan adanya pasokan bahan bakar (hidrogen) dan zat oksidan (oksigen dari udara) yang dipompakan ke dalam sel [Winter, M. dan Brodd, R.J., 2004]. Sel bahan bakar serupa dengan mesin pembakar (combustion engine) yakni memerlukan bahan bakar untuk menjalankannya, namun serupa juga dengan baterai dimana mampu mengubah energi kimia menjadi listrik secara langsung tanpa melalui proses pembakaran. Pengubahan energi secara langsung tersebut yakni tanpa melalui proses pembakaran dapat meningkatkan efisiensi konversi dari sel [Brett, D.J.L., et al, 2008].

Secara umum, sel bahan bakar terdiri dari dua komponen penting yakni elektroda (katoda dan anoda) dan elektrolit. Susunan dari sel bahan bakar mirip halnya dengan roti lapis (sandwich), dimana kedua elektroda mengapit elektrolit yang kemudian bahan bakar dialirkan di atas permukaan anoda, sedangkan oksigen dialirkan di atas permukaan katoda. Bahan bakar yang digunakan untuk sel bahan bakar umumnya adalah gas hidrogen (H2). Adapun beberapa jenis sel bahan bakar yang dapat menggunakan metanol (CH3OH), CO, maupun hidrokarbon seperti metana (CH4).

Hingga saat ini terdapat enam jenis jenis sel bahan bakar yang dibedakan berdasarkan jenis elektrolitnya, yakni: (1) Alkaline Fuel Cell (AFC); (2) Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC); (3) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC); (4)Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC); (5) Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC); dan (6)Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Berdasarkan suhu operasionalnya, sel bahan bakar terbagi ke dalam dua jenis yaitu sel bahan bakar suhu rendah yang beroperasi pada suhu di bawah 300°C dan sel bahan bakar suhu tinggi yang beroperasi pada suhu di atas 300 °C. Gambar di bawah ini merangkum keenam jenis sel bahan bakar tersebut dan juga perbedaannya [Winter, M. dan Brodd, R.J., 2004].  

Setiap jenis sel bahan bakar memiliki keunggulan dan kelemahaan. Contoh PEMFC memiliki keunggulan dimana efisiensi yang di peroleh cukup tinggi pada temperatur pengoperasian yang rendah namun PEMFC mudah sekali terkontaminasi oleh pengontrol CO dalam bahan bakar. berbeda dengan SOFC, SOFC di operasikan pada suhu yang tinggi yang menyebabkan SOFC dapat menggunakan sejumlah bahan bakar dari mulai hidrogen hingga hidrokarbon. Suhu yang tinggi menyebabkan SOFC mudah mengalami reaksi antar komponen yang tidak di harapkan yang dapat menurunkan efisiensi dari sel.

Fuel cell mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polimer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja. Hidrogen dialirkan ke dalam fuel cellyaitu ke bagian anoda, sedang oksigen atau udara dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran, maka gas hidrogen tidak akan bercampur dengan oksigen. Membran dilapisi oleh platina tipis yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. Proton mengalir melalui membran, sedang elektron tidak dapat menembus membran, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion bermuatan positif. Apabila anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar listrik, maka akan terjadi pengaliran elektron dari anoda ke katoda, sehingga terdapat arus listrik. Elektron yang mengalir ke katoda akan bereaksi dengan proton dan oksigen pada sisi katoda dan membentuk air.

Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cellAnoda : 2H₂ 4H⁺ + 4e^-Katoda : 4e^- + 4H⁺ + O₂ 2H₂OJenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada 6 jenis fuel cell yaitu:§ Alkaline (AFC)
§ Proton exchange membrane, juga disebut Proton Electrolyt Membrane(PEM)
§ Phosphoric Acid(PAFC)
§ Molten carbonate(MCFC)
§ Solid oxide(SOFC)
§ Direct methanol fuel cells (DMFC)
§ Regenerative fuel cells