1. Fuel cell dan baterai beroperasi dengan prinsip yang sama yaitu konversi energi kimia menjadi listrik, tetapi baterai memiliki jumlah bahan bakar tetap sedangkan fuel cell dapat terus diisi bahan bakarnya. 2. Fuel cell terdiri atas dua elektrode dan elektrolit, dimana bahan bakar seperti hidrogen atau karbon monoksida akan bereaksi di satu elektrode dan oksigen akan bereaksi di elektrode lainnya, melepask

1. FUEL CELL
Dikutip dari ”Prinsip-prinsip Konversi Energi” [ArchieW. Culp, Jr.] diterjemahkan oleh Darwin Sitompul
 1  T .
Batere dan fuel cell prinsip operasinya sama, perbedaannya terdapat
pada bahan bakarnya, dengan batere mempunyai jumlah bahan bakar
atau energi tetap sedangkan fuel cell mempunyai bahan bakar yang
terus-menerus diisikan. Beberapa batere dapat beroperasi dapat-balik
dengan produk reaksi kimia dipisahkan kembali ke reaktan semula
dengan mengisikan daya listrik dalam batere pada waktu pengisian
(charging). Batere digunakan sebagai sistem penyimpan energi dan
dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu batere primer dan sekunder.
Batere primer (seperti sel konvensional ”C” dan ”D”) tidak dapat diisi
kembali, sedangkan batere sekunder (seperti batere mobil dengan
asam dan timah) dapat diisi kembali berkali-kali.
Batere dan fuel cell komposisinya sama, keduanya terdiri dari dua
elektrode yang dipisahkan oleh larutan elektrolit atau matriks. Dalam
fuel cell, reaktan bahan bakar, pada umumnya hidrogen (H2) atau
karbon monoksida (CO) diberikan ke salah satu elektrode berpori dan
oksigen (O2) atau udara dimasukkan ke dalam elektrode berpori yang
lain.
Elektrode suatu fuel cell harus memenuhi tiga hal, yaitu:
(1) Berpori, agar bahan bakar dan elektrolit dapat menembusnya untuk
1
KONVERSI ENERGI KIMIA MENJADI LISTRIK
Contoh implementasi energi kimia menjadi listrik secara langsung,
adalah batere dan fuel cell (sel bahan bakar). Mengingat pada sistem
ini perubahan energi tidak melewati fase energi panas, maka tidak
dibatasi oleh siklus mesin kalor dapat-balik (reversible) eksternal, yaitu:
L
H
th T
memperoleh kontak yang cukup. Ukuran pori elektrode sangat
penting. Ukuran terlalu besar akan mengakibatkan gas bahan
bakar ”menggelembung” dan hilang keluar, sedangkan ukuran

2. terlalu kecil akan terjadi kontak yang tidak cukup antara reaktan
dan elektrolit mengakibatkan kapasitas sel berkurang.
(2) Mengandung katalisator kimia untuk memecah ikatan bahan bakar
menjadi atom, agar menjadi lebih reaktif. Katalisator paling
populer yang digunakan saat ini adalah platina dan nikel yang
disinter.
2
(3) Dapat melewatkan elektron ke terminal.
Diagram skematis fuel cell, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Diagram skematis fuel cell
Larutan elektrolit harus mempunyai permiabilitas tinggi terhadap ion H+
atau OH- yang dihasilkan sebagai produk salah satu elektrode. Ion

3. yang sama ditransfer ke elektrode lain dan dikombinasikan dengan
reaktans lain. Elektron berpindah melalui sirkuit luar ke elektrode yang
lain dengan produk oksidasi dibentuk.
Sel ”membakar” oksigen dan hidrogen dan mempunyai elektrolit asam,
ion antaranya adalah H+ dan reaksi umumnya:
Reaksi anode: 2H2  4 e- + 4H+ ..........................................(“a”),
Reaksi katode: 4e- + 4H+ + O2  2H2O .................................(”b”).
Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit asam, seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit asam
Beberapa fuel cell menggunakan elektrolit padat yang pada
kenyataannya adalah suatu membran pertukaran ion. Salah satu
membran terdiri dari resin sulphenated polystyrene berbentuk bubuk
halus berada dalam bentuk polimer lembam. Membran ini fleksibel,
mempunyai kekuatan mekanik yang baik, lembam secara kimiawi, dan
tahan terhadap gas pereaksi (reaktan). Sementara membran
membiarkan ion-ion lewat, ia mempunyai resistans listrik yang relatif
tinggi, meskipun tebalnya hanya kira-kira 3 mm. Jenis konverter ini
telah digunakan sebagai sumber daya tambahan pada misi ruang
angkasa orbital Gemini pertama dengan 2 awak. Fuel cell jenis ini
bersama suatu jenis fuel cell yang lain, seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.
Dalam fuel cell oksigen-hidrogen dan mempunyai elektrolit alkalin
(seperti potassium hidroksida), ion antaranya adalah OH- dan reaksi
umumnya:
3

4. Reaksi anode: 2H2 + 4OH-  4H2O + 4 e- .................................(”c”),
Reaksi katode: 2H2O + O2 + 4e-  4OH- ..................................(”d”).
Diagram skematis fuel cell mempunyai elektrolit alkalin dengan reaksi
dimaksud seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit alkalin
Kinerja fuel cell
Energi total yang dilepaskan dalam setiap reaksi kimia adalah sama
dengan perubahan entalpi pembentukan (H ), nilainya sama dengan
entalpi pembentukan pereaksi dikurangi jumlah entalpi pembentukan
produk:
H  Hpereaksi  Hproduk .......................…………….(1).
Perubahan entalpi pembentukan (H ) setara dengan nilai pembakaran
atas (HHV, higher heating value) bahan bakar.
Nilai H seperti ditunjukkan pada Tabel 1, untuk oksidasi bermacam-macam
bahan bakar pada 250C (298K) dan 1 atm. Umumnya, semua
4
elemen alami mempunyai nilai H sama dengan nol.

5. Tabel 1 Entalpi pembentukan H 0 dan energi bebas Gibbs
G0 dari senyawa dan ion (pada 298K dan 1 atmosfer)
5
Senyawa
atau ion
Entalpi pembentukan H 0
(joule/kg.mol)
Energi bebas Gibbs G0
(joule/kg.mol)
CO -110 x 106 -137,5 x 106
CO2 -394 x 106 -395 x 106
CH4 -74,9 x 106 -50,8 x 106
Air -286 x 106 -237 x 106
Uap air -241 x 106 -228 x 106
LiH +128 x 106 +105 x 106
NaCO2 -1122 x 106 -1042 x 106
CO3-- -675 x 106 -529 x 106
H+ 0 0
Li+ -277 x 106 -293 x 106
OH- -230 x 106 -157 x 106
Dalam reaksi pembakaran berikut:
C + O2  CO2 ........................................................................(“e”).
Perubahan entalpi pembentukan (H ) pada reaksi tersebut:
0 0 ( 394 x 106 )
2 2 H  HC  HO  HCO    
H  394 x 10 joule atau
2
6
kg.mol CO
H  8,953 x 106 joule
kg C
H  32,81 x 106 joule atau
kg C
H 14,107 Btu
lb.m C
Ingat: bilangan atom dan massa
Secara teoritis, semua energi dalam entalpi pembentukan dapat diubah
menjadi energi listrik, jika tidak ada bagian yang dibentuk menjadi
energi lain. Kenyataannya, pada reaksi dapat-balik sejumlah energi
kimia diubah menjadi energi panas dan sisanya diubah menjadi energi
listrik. Jumlah minimum energi panas yang timbul dalam setiap reaksi

6. dapat-balik adalah T dS . Mengingat fuel cell adalah proses isotermal,
maka T dS  T  dS  T S . Hal itu berarti, jumlah energi listrik yang
ditimbulkan We dalam fuel cell, adalah:
We  H  T S ....................................................………………….(2).
Listrik dibangkitkan per kg.mol bahan bakar adalah sama dengan
H  T S untuk suatu reaksi dapat-balik, tetapi akan lebih kecil dari
nilai tersebut, jika terdapat reaksi tidak dapat-balik dalam sel.
Energi bebas Gibbs ( G ) ialah suatu fungsi termodinamika yang
didefinisikan sebagai entalpi dikurangi perkalian suhu (T ) dan entropi
(S ), atau dalam persamaan berikut:
G  H  T.S ..............................................................................(3).
Penurunan persamaan (3) untuk proses isotermal (dT  0), adalah:
dG  dH  T.dS atau G  H  T.S ....................................(4).
Persamaaan (2) berubah menjadi:
We  G ...........................................................................(5),
dengan perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi yang diberikan G,
adalah:
G  Gpereaksi  Gproduk ……………….........................(6).
Energi bebas Gibbs adalah fungsi tekanan dan suhu di mana reaksi
terjadi. Hubungan sifat termodinamika secara umum, adalah:
T .dS  dH V.dP atau dH  T.dS  V .dP ...............................(7).
Substitusi persamaan (6) ke persamaan (4), diperoleh:
dG V .dP ................................................................................(8).
Untuk setiap mol unsur gas,
6
V  Ru T , dengan:
P
Ru = konstanta gas universal (sebagai konstanta fisika), nilainya:
= 8,314 kJ per kg.mol.derajat kelvin
= 0,08314 bar.meter3 per kg.mol.derajat kelvin
= 1545 ft.lbf per lbm.mol.degree rankeine
= 1.9857 Btu per lbm.mol.degree rankeine
maka untuk proses isotermal, persamaan (8) berubah menjadi:

7. 7
P
dG R T
0 0
  
P
u
G
G
dP
P
P
dG R T dP
0 0
atau   
P
u
G
G
P
atau
G G R T P   u .................................................................(9).
0
0 ln
P
Mengingat G0 adalah nilai energi bebas Gibbs untuk tekanan 1
atmosfer, dengan P0 1,0, jika P adalah tekanan unsur dalam satuan
[atm.], persamaan (9) menjadi:
G  G0  Ru T ln P..................................................................(10).
Perhatikan:
Reaksi kimia untuk suatu fuel cell berikut:
aA + bB  cC + dD ................................................................(“f”).
Diketahui:
Pereaksi (A dan B) dan produk (C dan D), semua berbentuk gas pada
suhu T dan tekanan bagian PA, PB, PC, dan PD. Perubahan energi bebas
Gibbs untuk reaksi tersebut menjadi:
G  G0  R T ln P P ...............................................(11).
d
D
c
C
b
B
a
A
u
P P
Dalam beberapa kasus, produk hasil reaksi mungkin berbentuk cairan.
Untuk kasus pada persamaan (11) dapat digunakan dengan
memberikan komponen tekanan parsial x , Px, diganti  x , dengan  x
disebut aktivitas komponen x dan mempunyai nilai sama dengan
tekanan parsial dari komponen x hanay jika komponen memenuhi
hukum gas ideal.
Mengingat G dan H dinyatakan dalam satuan energi (yaitu: joule)
per kilogram.mol, maka mengandung arti We adalah energi listrik yang
berhubungan dengan lewatnya 1 kg.mol elektron melalui sirkuit listrik.
Satu kg.mol elektron sama dengan angka dalam bilangan Avogadro
(6,023 x 1026) dan muatan satu elektron adalah 1,602 x 10-19 C;
Sehingga dikatakan, bahwa muatan untuk 1 kg.mol elektron adalah
9,649 x 107 coulomb (C) per kg.mol elektron, didefinisikan sebagai 1

8. (satu) Faraday ( Fy ) atau nilai konstanta Faraday. Untuk n mol
elektron dilepaskan dalam reaksi dan tegangan dalam sel adalah Eg ,
maka nilai We sama dengan n Fy Eg , sehingga persamaan (5)
menjadi:
n Fy Eg  G.......................................................…………………(12).
Nilai maksimum tegangan dalam sel, adalah:
 . ……………………….…..…………(14).
Efisiensi konversi aktual, sebenarnya lebih rendah dari nilai yang
diberikan pada persamaan (14) dan dapat dihitung menurut:
 , .
 . ………………........................……….………(15),
dengan vL adalah nilai tegangan output dari fuel cell.
Nilai efisiensi 60-70% dapat diberikan oleh hampir semua fuel cell
tanpa menaikkan suhu setinggi yang diperlukan oleh suatu siklus kalor.
Sebagaimana telah dikemukakan, peningkatan suhu operasi akan
menurunkan output aktual dan efisiensi konversi.
Kinerja fuel cell adalah fungsi dari karakteristik operasi sel.
Sebagaimana batere, tegangan output fuel cell akan turun, jika output
8
   0  ln .................................................(13).
d
D
c
C
b
B
a
A
E E R T
y
u
g g n F
 
Persamaan (13) dikenal sebagai persamaan Nerst. Catatan, bahwa
kenaikan suhu (T ) fuel cell akan menurunkan nilai tegangan output (ke
luaran) dan pada akhirnya akan menurunkan nilai output energi listrik.
Sebagaimana telah dikemukakan di awal, bahwa suatu fuel cell tidak
dibatasi oleh efisiensi suatu mesin kalor dapat-balik eksternal, tetapi
pada dasarnya terdapat nilai batas (limit) dari nilai efisiensi. Efisiensi
konversi maksimum:
T S
 , . 1 .
H
G


maks 
H
We maks
H

 


n F v
We akt y L
akt 
H
H



9. listrik fuel cell naik. Terdapat 3 (tiga) macam kerugian tegangan utama
sehubungan dengan pengoperasian sel, yaitu:
(a) Kerugian tegangan akibat polarisasi kimia atau polarisasi
penggerakan vC , adalah tegangan yang dibutuhkan untuk
melepas ion dari elektrode di mana ion tersebut terbentuk.
(b) Kerugian tegangan akibat resistans dalam, adalah sama dengan
hasil kali i  Ri , di mana i adalah aliran arus dan Ri adalah
resistans dalam sel.
(c) Kerugian tegangan (akibat beban yang sangat besar) berupa
polarisasi-konsentrasi yang disebabkan efek elektrostatika dan
gradien konsentrasi yang disebabkan kekosongan ion di suatu
tempat di sekitar elektrode pada daya output yang tinggi.
Karakteristik tegangan-arus fuel cell, seperti ditunjukkan pada Gambar
4.
9
tegangan tanpa beban
turun tegangan akibat polarisasi kimia, vC
turun tegangan akibat resistans dalam, i.Ri
daerah operasi sel
te
ga
nga
n
turun tegangan
akibat konsentrasi-polarisasi
turun tegangan
sepanjang resistans luar,
vL
arus output (A)
Gambar 4 Karakteristik arus-tegangan fuel cell

10. Jenis-jenis fuel cell
Semua jenis fuel cell yang beroperasi merupakan fuel cell bersuhu
rendah menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai pereaksi.
Kebanyakan sel tersebut beroperasi pada suhu di bawah 500K,
sedangkan penurunan suhu dapat memperbaiki efisiensi konversi,
jumlah oksidasi, atau daya output sel dapat dinaikkan dengan
menaikkan tekanan sistem dan/atau menaikkan suhu.
Fuel cell redoks, adalah suatu fuel cell hidrogen-oksigen yang berbeda
dengan fuel cell normal, di mana reaksi kimia tidak terjadi di elektrode.
Diagram skematis fuel cell redoks, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
10
<tidak ditampilkan>
Gambar 5 Diagram skematis fuel cell jenis redoks
Sel redoks mempunyai dua larutan elektrolit yang dipisahkan oleh
membran peubah ion dan gas pereksi bergelembung lewat masing-masing
elektrolit. Sel tersebut lebih kecil efisiensinya dibanding sel
konvensional, tetapi mempunyai resistans lebih rendah dan kehilangan
polarisasi lebih kecil, di samping mempunyai rapat arus lebih tinggi.
Keungggulan utama sel redoks, adalah kemampuannya untuk
beroperasi dengan pereaksi relatif tidak begitu murni.
Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan fuel cell
bersuhu tinggi yang dapat beroperasi dengan bahan bakar yang tidak
murni dan tidak mahal seperti hidrokarbon. Untuk dapat menggunakan
hidrokarbon sebagai bahan bakar, bahan ini pertama-tama harus
dipecah dulu menjadi hidrogen dan karbon monoksida. Penggunaan
dua gas bahan bakar (karbon monoksida dan oksigen) dalam fuel cell
menyulitkan pemilihan elektrolit untuk sistem dimaksud. Selanjutnya,
sistem beroperasi pada suhu di atas 1200K, pemakaian cairan, dan
elektrolit lain yang mempunyai titik didih rendah terhalang.
CONTOH SOAL
Hitung tegangan output dan efisiensi konversi teoritis suatu fuel cell
oksigen-hidrogen yang beroperasi pada suhu 6000C. Diasumsikan,
bahwa hidrogen diberikan pada 1,1 atmosfer dan oksigen diberikan dari

11. udara pada tekanan 1,2 atmosfer, dan produk uap bertekanan 1
atmosfer.
Penyelesaian:
Mengacu ke Tabel 1., diperoleh:
G0 (untuk uap) = 228 x 106 [J/kg.mol] H2O
H0 (untuk uap) = 241 x 106 [J/kg.mol] H2O
H0 (untuk air) = 286 x 106 [J/kg.mol] H2O
Mengacu ke persamaan (12) diperoleh persamaan: n Fy Eg0  G0 .
Untuk reaksi dimaksud: H2 + O2  2H2O
11
  
.
228 10 .
g 7

 

 

 

 

 

E 

G


mol e
x C
mol H O
mol e
kg mol H O
x W s
n F
y
2
2
6
0
0
2 9,649 10
Eg0  1,181volt
Tekanan parsial O2 dalam pereaksi = 1,2 (0,21)
= 0,252 atm.
(Ingat: dalam udara terdapat 21%O2 dan 79%N2)
Tekanan parsial H2 dalam pereaksi = 1,1 atm.
Tekanan parsial H2O dalam produk = 1,0 atm.
Digunakan persamaan (13):
1 1/ 2
P P
H O
ln 2 2
1
E  E 0
 R T
H O
2
y
u
g g
P
n F
1 1/ 2
ln 1,1 (0,252)
1,181 8314 (873)
 
7 1,0
1
2 (9,649 10 )
 
x
Eg
Eg  1,181 0,022 1,159 volt
Efisiensi konversi maksimum menggunakan persamaan (14):

12. 12
T S
 , . 1 .
H
G


maks 
H
We maks
H

 


 .
Sebelumnya dihitung terlebih dahulu:
1 1/ 2
P P
H O
ln 2 2
1
0
H O
2
u
P
G  G  R T
1 1/ 2
G  228 x 10  8314 (873) ln 1,1 (0,252)
1
6
1,0
G x joule
kg mol H O
2
223,7 106

 
Kemudian diperoleh:
0,7822 78,22%
x
223,7 10
maks .
6
286 10
6


G
.   

x
H