A Basic Overview of Fuel Cell Technology

Fuel cell, mungkin sudah tidak asing di telinga kita. Dewasa ini seiring dengan makin mahalnya dan terbatasnya minyak bumi (ada yang memperkirakan 40 tahun lagi akan habis), penggunaan alternatif energi sangat didengung-dengungkan, dan salah satunya adalah energi hidrogen.

Fuel cell merupakan sel penghasil listrik dg hidrogen sebagai bahan bakarnya. Di masa depan, dengan menggunakan energi alam seperti energi matahari, dan lainnya dan air laut sebagai sumber hidrogen, bukan tidak mungkin hidrogen bisa berkembang sebagai sumber energi yang “gratis” dari alam. Jika hal itu terjadi, siapapun pasti akan memilih energi hidrogen yang ramah akan lingkungan. Sehingga fuel cell sangat lah diperlukan.
Dengan perkembangan teknologi hidrogen, bisa jadi pada abad ini gasoline engine akan menghilang dan akan digantikan oleh fuel cell. Pembangkit listrik tenaga thermal dan kabel listrik akan menghilang, sebagai gantinya, di setiap rumah akan memiliki satu fuel cell sebagai sumber energinya. Wah kok jadi berandai-andai ya. Tapi kesemuanya itu bukanlah suatu hal yang mustahil.

Kementrian Eknonomi, Perdagangan dan Industri Jepang sendiri telah mentargetkan penggunaan fuel cell di jepang pada 5 juta mobil, dan dipredeksikan akan mampu menghasilkan 10 juta kilo watt (untuk konsumsi 1 juta rumah) pada tahun 2020. Sedangkan penggunaan fuel cell pada laptop, telepon seluler dan alat mobile elektronik lainnya diperkirakan akan mencapai 10 % pada tahun 2015.
Pada kesempatan kali ini akan dicoba dijelaskan tentang fuel cell agar lebih dekat.

Prinsip fuel cell

Bagian terpenting pada Fuel cell adalah 2 lapis elektroda dan elektrolit. Elektrolit disini adalah zat yang akan membiarkan ion lewat, namun tidak halnya dengan elektron.
Pada anoda, H2 dialirkan, kemudian platina (Pt) yang terkandung pada pada anoda akan bekerja sebagai katalis, yang kemudian akan “mengambil” elektron dari atom hidrogen. Kemudian, ion H+ yang terbentuk akan melewati elektrolit, sedangkan elektron tetap tertinggal di anoda. Pada katoda, oksigen dialirkan. Kemudian, ion H+ yang melewati elektrolit akan berikatan dengan oksigen menghasilkan air dengan bantuan platina yang terkandung pada katoda sebagai katalis. Reaksi ini akan berlangsung jika ada elektron. Pada anoda, elektron tertinggal, sedangkan pada katoda membutuhkan elektron. Sehingga, jika anoda dan katoda dihubungkan maka elektron akan mengalir. Hal ini lah yang menjadi prinsip dasar dari fuel cell.

Unit fuel cell

Satu unit fuel cell yang terdiri atas 2 lembar Pt Elektroda dan elektrolit disebut sel tunggal. Tegangan yang diperoleh dari 1 buah sel tunggal ini berkisar 1 volt , sama dengan sel kering. Untuk mampu menghasilkan tegangan yang tinggi/yang dinginkan maka sel tersebut bisa disusun secara seri/pararel. Kumpulan dari banyak sel tunggal ini disebut stack. Untuk membuat stack, selain dibutuhkan single sel tunggal, juga diperlukan sel seperator.

Agar bisa digunakan pada telepon seluler, diperlukan beberapa single cell. Sedangkan untuk penggunaan rumah tangga diperlukan 20 lebih dan untuk mobil diperlukan 200 lebih single cell. Sehingga Pt elektroda, elektrolit, dan sel separator yang dibutuhkan ikut meningkat. Saat ini harga dari bahan-bahan tersebut sangatlah mahal. sehingga untuk diterapkan pada mobil masih terbilang mahal.


Gambar1. susunan 1 unit sel tunggal


Sejarah fuel cell

Fuel cell ditemukan oleh Francis Bacon (1904-1992), pria lulusan Cambridge University dan berkebangsaan Inggris. Bacon yang memulai penilitiannya sejak tahun 1930, menemukan fuel cell yang menggunakan elektrolit basa (KOH), yang kemudian disebut alkaline fuel cell (fuel cell tipe basa). Berselang setelah ditemukan alkaline fuel cell, di tahun 1950-an, Perusahaan Amerika, General Electic (GE), berhasil mengembangkan fuel cell tipe baru, dengan polimer membran sebagai elektrolitnya, yang kemudian disebut PEFC. PEFC yang ditemukan oleh GE mampu menghasilkan sekitar 1 KWatt, dan memiliki keunggulan pada design, lebih compact, bila dibandingkan fuel cell yang ditemukan oleh F Bacon saat itu.

Fuel Cell mulai mendapat perhatian, ketika NASA mulai menggunakan fuel cell buatan GE sebagai sumber energi pada komputer dan alat komunikasi-nya pada tahun 1965. Mungkin kita masih teringat ketika Neil Amstrong, dkk, sebagai manusia pertama yang berhasil menginjakkan kaki di bulan pada tahun 1969 dengan pesawat Apollo 11. Ternyata pada Apollo 11 pun telah terpasang fuel cell didalamnya. Fuel cell yang digunakan saat itu adalah alkaline fuel cell, yang dayanya lebih besar dibanding buatan GE.

Alkaline fuel cell digunakan pada space shuttle sebagai sumber listrik di dalam pesawat dan sumber air minum hingga saat ini. Namun, alkaline fuel cell yang digunakan harus menggunakan air dan oksigen dengan tingkat kemurnian tinggi. Sehingga selain untuk pengembangan eksplorasi luar angkasa belum dapat diterapkan.

4 Tipe fuel cell

Sejak dipergunakan untuk pengembangan eksplorasi luar angkasa oleh NASA, fuel cell mulai mendapat perhatian khusus dari para peniliti. Hingga saat ini, telah muncul berbagai macam jenis fuel cell.

Berdasarkan atas perbedaan elektrolit yang digunakan, fuel cell dapat dibagi menjadi 4 tipe. Keempat tipe tersebut, suhu dan skala energi yang dihasilkan pun berbeda.
4 tipe tersebut bisa dipisah menjadi 2, yaitu yang bekerja pada suhu tinggi (dua tipe) dan pada suhu rendah (2 tipe) :

Tipe pada suhu tinggi adalah MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) dan SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Kedua tipe ini berkerja pada suhu 500-1000oC. pada suhu tinggi, kecepatan reaksi bisa berlangsung cepat, sehingga tidak diperlukan katalis (Pt). Namun pada suhu tinggi pula, diperlukan bahan yang mempunya durability bagus dan tahan akan korosi.
MCFC bekerja pada suhu 650oC, dan elektrolit yang digunakan adalah garam karbonat (Li2CO3, K2CO3, dll) dalam bentuk larutan. Sedangkan SOFC, bekerja pada suhu 1000oC, dengan keramik padat (misal, ZrO2) sebagai elektrolitnya. MCFC dan SOFC sendiri hingga saat ini masih tahap lab, dan belum dikomersilkan. Diharapkan bisa di masa depan bisa diterapkan dalan skala besar. Dan apabila teknologi dimana suhu kerja bisa diturunkan berkembang, bukan tidak mungkin kelak kedua fuel cell tipe ini bisa diterapkan dalam skala rumah tangga.

Sedangkan untuk tipe suhu rendah adalah PAFC (Phosphoric acid Fuel Cell) dan PEFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Pada kedua tipe ini, berkerja pada suhu dibawah 200oC. keunggulan pada tipe ini adalah waktu untuk mengaktifkannya cukup cepat dan bisa diterapkan dalam skala kecil. Namun, karena memerlukan Pt, yang harganya cukup mahal, sbg elektroda, maka biayanya pun menjadi mahal.
PAFC bekerja pada suhu 200oC, dan asam fosfat (H3PO4) sebagai elektrolitnya. Ditemukan pada tahun 1967, dan sejak tahun 1980-an, khususnya di Jepang dan Amerika, mulai dipergunakan pada hotel, rumah sakit, dan lain lain. Diantara 4 tipe fuel cell, tipe inilah yang paling cepat untuk dikomersilkan.
PEFC bekerja pada suhu dibawah 100oC, membran polimer sebagai elektrolitnya. Karena menggunakan lapisan tipis membran polimer, ukuran secara kesulurahan sangatlah kecil. Dewasa ini, penggunaan fuel cell tipe ini sudah cukup luas digunakan, mulai dari mobil hingga telepon seluler.


Gambar 2. Perbandingan daya yang dihasilkan dari 4 tipe fuel cell


Keunggulan fuel cell
Jika berbicara tentang keunggulan fuel cell, maka salah satunya adalah tingkat efisiensi energi yang dihasilkan. Jika pada pembangkit listrik tenaga termal, suhu pembakaran sekitar 550o C, secara teoritis memiliki tingkat efisiensinya maksimal 60 %. Namun untuk fuel cell yang menggunakan hydrogen sebagai sumber energinya, pada suhu kamar pun, secara teoritis memiliki tingkat efisiensi mencapai 83 %.
Kenapa tingkat efisiensi dari fuel cell, bisa tinggi? Agar lebih mudah dipahami mungkin kita bisa mengambil contoh dari perbandingan filamen pada bohlam dan LED (Light Emitting Dioda).

Filamen pada lampu bohlam, akan mengubah energi listri menjadi energi panas terlebih dahulu. Kemudian dari energi panas diubah menjadi energi cahaya. Namun energi panas yang seharusnya diubah menjadi energi listrik, kebanyakan lolos keluar menuju lingkungan. Hal ini dapat dirasakan dengan memegang lampu bohlam yang terasa hangat. Sedangkan pada LED, energi listrik segera diubah menjadi energi cahaya, tanpa diubah terlebih dahulu menjadi energi panas. Sehingga daya yang hilang dan konsumsi daya dari LED sangat kecil bila dibanding lampu bohlam.

Seperti halnya contoh diatas, pada pembangkit listrik tenaga thermal, bahan bakarnya terlebih dahulu diubah menjadi energi panas (dibakar), kemudian baru diubah menjadi energi listrik. Dengan perlakuan seperti itu, resiko loss (kehilangan) akan sangat besar, khususnya ketika pengubahan energi panas menjadi energi listrik, banyak energi panas yang lolos. Hal inilah penyebab rendahnya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga thermal.

Berbeda dengan pembangkit listrik tenaga thermal, pada fuel cell, bahan bakar (hidrogen) secara langsung diubah menjadi energi listrik tanpa melewati perubahan ke energi panas terlebih dahulu. Hal ini lah yang menyababkan tingkat efisiensi pada fuel cell tinggi.

Sebenarnya secara teoritis efisiensi energi fuel cell dapat mencapai 100%. Namun bila bahan bakar yang digunakan bukanlah hidrogen melainkan karbon. Karbon secara teoritis memiliki tingkat efisiensi energi sangat tinggi, maksimal mencapai 100 %. Hal ini lebih besar bila dibandingkan dengan hidrogen (83 %) dan bahan baker fosil (90%).
Namun katalis, yang berfungsi mengambil elekron dari karbon, hingga saat ini belum ditemukan, sehingga secara kenyataan karbon tidak bisa digunakan pada fuel cell. Seandainya katalis ini bisa ditemukan mungkin akan lahir peradaban “energi karbon”.

Katalis pada fuel cell

Kendala terbesar pada fuel cell adalah harga, akibat mahalnya platina. Sebagai gambaran, pada PEFC, salah satu tipe fuel cell, yang digunakan pada mobil/rumah tangga (dengan daya 100 K Watt) dibutuhkan sekitar 100 gram platina. Jika seandainya harga platina saat ini sekitar 8000 yen (sekitar Rp 620.000) maka untuk 100 gram platina berkisar 800.000 yen (sekitar 62 juta). Sangat lah mahal!.

Selain itu diperkirakan platina yang terkandung dibumi hanya berkisar 28.000 ton. Sehingga bisa disimpulkan　apabila tidak ditemukan alternative pengganti platina, yang jumlahnya sangat terbatas dan harganya yang sangat mahal, maka tamatlah riwayat fuel cell.

Untuk itu, ada beberapa cara yang dikembangkan. Salah satunya adalah untuk menghemat penggunaan platina, maka cukuplah digunakan partikel platina bukan logam secara kesuluruhan. Katalis pada prinsipnya bekerja hanya pada permukaan platina saja. Sehingga jika partikel platina semakin kecil, luas permukaan katalis akan semakin besar, sehingga dapat menghemat penggunaan platina. Biasanya partikel platina tersebut dilekatkan pada carbon yang telah dipadatkan dengan teknologi karbon nanotube. Dengan perkembangan nanoteknologi saat ini, muncul teknologi karbon nanohorn yang dikembangkan oleh perusahaan jepang, NEC, dan diperkirakan mampu meningkatkan tingkat efisiensi dan lamanya waktu (lifetime) kerja fuel cell.

Cara lainnya adalah menggantikan platina dengan logam lain. Salah satu logam yang potensial adalah perpaduan kobalt dengan nikel. QuantumSphare Inc., perusahaan yang berbasis di California, mengklaim berhasil mengembangan nanomaterial nikel-kobalt yang mampu menggantikan penggunaan platina pada fuel cell. Dan mampu menghemat biaya pembuatan fuel cell hingga 50 %. Namun perlu pengorbanan kecil pada performance dari fuel cell. Sebagai perbandingan, jika menggantikan platina pada katoda secara kesuluruhan (7.7 mikrogram/cm2) dengan nikel-kobalt, akan menghemat biaya 90% namun performance, dibanding platina murni, turun 27 %.

Pemanfaatan fuel cell saat ini dan masa datang

Penerapan fuel cell untuk skala rumah tangga sudah mulai diterapkan sejak tahun 2005 yang lalu. Di jepang sendiri sudah terpasang sekitar 600 fuel cell skala rumah tangga. Namun untuk harga satu buah fuel cell saat ini bisa menghabiskan ratusan ribu yen (puluhan juta rupiah). Diharapkan pada tahun 2020 nanti, harganya bisa menjadi 1/10-nya.

Dengan adanya pemakaian fuel cell pd rumah tangga, maka sudah tidak diperlukannya lagi kabel pengalir listrik (dari pembangkit listrik ke rumah), sehingga loss dayanya menjadi nol. Selain itu, bila panas yang dihasilkan bisa dimanfaatkan lagi, salah satunya utk memanaskan air/ ofuro (kebiasaan merendam orang jepang di air panas) dengan koordinasi seperti ini, maka tingkat efisiensi pemanfaatan energi fuel cell bisa mencapai 80 %.

Untuk saat ini penggunaan fuel cell pada skala rumah tangga di jepang masih menggunakan gas alam sebagai bahan bakarnya. Dengan menggunakan system perpipaan gas yang sudah terpasang di setiap rumah, gas tersebut dialirkan kemudian akan diubah menjadi hidrogen dan baru kemudian dialirkan ke fuel cell. Dimasa depan, Jika hidrogen bisa dihasilkan secara massal, dengan pemanfaatan rute aliran gas ini, hidrogen bisa dialirkan langsung ke fuel cell yang telah terpasang di setiap rumah di Jepang.

Selain pada rumah, fuel cell mulai digunakan secara luas pada hand phone. Hp saat ini, khususnya di jepang, sudah mulai dilengkapi dengan berbagai macam fitur yang sangat tinggi, seperti MP3 player, TV, navigasi, dll. Sehingga untuk mampu menjalankan fitur2 tingkat tinggi maka diperlukan baterai dengan daya tinggi dan tahan lama. Apabila melihat perkembangan baterai saat ini (baterai litium) maka hal ini menjadilah mustahil.
Yang diharapkan saat ini adalah fuel cell. Seandainya baterai hp saat ini digantikan dengan fuel cell dengan ukuran yang sama, mampu meningkatkan waktu guna hp minimal 10 kali lipat dibanding baterai lithium. Tidak hanya hp, penggunaan fuel cell saat ini sudah mulai diterapkan pada perangkat elektronik mobile lainnya, seperti laptop, dan digital kamera.

Jenis Fuel Cell yang banyak digunakan pada perangkat elektronik mobile adalah DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). DMFC merupakan salah satu jenis PMFC, dengan methanol sebagai bahan bakarnya. Keunggulan dari DMFC ini, terletak pada methanol. Berbeda dengan hidrogen, yang sangat sulit untuk dibawa kemana-mana, methanol dapat disimpan dalam botol plastik sehingga dapat dibawa ketika berpergian. Namun ada sisi negatif dari methanol, yaitu merupakan zat yang berbahaya. Sehingga penggunaan methanol diperlukan kehati-hatian tinggi.

Mengingat methanol cukup berbahaya bagi manusia, maka saat ini sedang dicari alternatif lainnya seperti ethanol atau NaBH4 (yang dikembangkan oleh Millennium Cell Corp).

Pengunaan fuel cell pun saat ini, sudah mulai merambah ke alat transportasi massal. Seperti Bis, dan yang baru- baru ini adalah pada kereta api. Pada tanggal 19 Oktober yang lalu, Japan Railway East melakukan uji coba kereta yang digerakkan oleh fuel cell, untuk pertama kalinya didunia. Kereta ini disebut NE Train (New Energy Train). Dengan fuel cell berdaya 65 K Watt dan 7 tank hydrogen yang terletak dibagian bawah dan baterai kedua yang terletak di atap, kereta ini hanya menghasilkan air sebagai limbahnya dan mampu jalan tanpa kabel. NE Train ini mampu berlari pada kecepatan maksimal 100 kph selama 50 sampai 100 km tanpa memerlukan pengisian ulang hidrogen. Pihak JR berharap pada 10-20 tahun mendatang, NE Train ini bisa digunakan secara luas pada commuter train.




Bahan bacaan
- Nickel Megazine, edisi November 2005
- Newton Megazine, edisi Oktober 2006