Fuel Cell Stack (bagian 1)

A. Pendahuluan

Dalam memasuki abad 21, fuel cell merupakan suatu teknologi yang akan merupakan masa depan dalam pengolahan bahan bakar tertentu menjadi suatu energi yang diperlukan untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan.Sebelum suatu teknologi yang baru dapat dipakai secara menyeluruh oleh semua lapisan, baik industri maupun masyarakat secara umum, perlulah diadakan penelitian dan percobaan yang mampu menelitinya dari semua aspek yang ada dan menghasilkan perkembangan-perkembangan yang optimal sehingga dapatlah dicapai hasil yang diharapkan oleh para pemakai.

Fuel cell yang pada saat ini masih merupakan produk harapan untuk masa depan, sebenarnya sudah dikenal cukup lama, tetapi pengembangannya baru dilakukan belum terlalu lama bahkan penggunaannya untuk kebutuhan baru dilakukan secara intensif pada akhir abad 20.Untuk mengaplikasikannya sebagai mesin pengganti, suatu teknologi yang perkembangannya masih baru, tentunya harus dibandingkan secara matang dengan produk-produk yang sudah dikenal, seperti motor bakar, maupun jenis penghasil energi yang lain seperti baterai dan solar cell.

Fuel cell adalah alat yang mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polymer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja.Hidrogen dialirkan ke dalam fuel cell yaitu 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 cell:

Anoda :                       2H₂  →  4H  + 4e-

Katoda :                      4e-  +  4H +  O₂  → 2H₂O

Untuk mengalirkan hidrogen, oksigen atau udara ke dalam fuel cell, maka lapisan luar dari cell ini dibuat dari lembaran bipolar yang diberi kanal-kanal untuk lewatnya gas maupun air pendingin agar temperatur fuel cell dapat selalu terkendali. Satu unit fuel cell tidak terlalu besar, tebalnya ada yang hanya 2 mm, untuk menghasilkan energi yang cukup, maka beberapa fuel cell harus ditumpuk menjadi satu disebut fuel cell stack.

B. Pembahasan

1. Fuel Cell Stack 

Tegangan yang dihasilkan dari satu unit fuel cell cukup kecil, sekitar 0,7 V, untuk menghasilkan tegangan yang besar maka beberapa cell harus dihubungkan secara seri disebut stack. Cara yang paling umum adalah dengan hanya menghubungkan ujung masing-masing anoda ke katoda dari sel berikutnya, semua sepanjang garis, seperti pada Gambar 1.

Gambar 1 Simple edge connection of three cells in series.

Masalah dengan metode ini adalah bahwa elektron harus mengalir di permukaan elektroda ke tepi tempat pengumpulan.

Sebuah metode yang jauh lebih baik dari interkoneksi sel adalah dengan menggunakan bipolar plate. Hal ini membuat koneksi di seluruh permukaan salah satu katoda dan anoda dari sel berikutnya; pada saat yang sama bipolar plate berfungsi sebagai penyedia umpan oksigen ke katoda dan gas bahan bakar untuk anoda. Meskipun koneksi listrik yang baik harus dilakukan antara dua elektroda, kedua penyuplai gas harus benar-benar dipisahkan. Metode menghubungkan ke satu sel, seluruh permukaan elektroda, sedangkan pada saat yang sama pengumpanan hidrogen pada anoda dan oksigen ke katoda, terlihat pada Gambar 2. Pelat beralur terbuat dari konduktor yang baik seperti grafit, atau stainless steel.

Gambar 2 Single cell

Untuk menghubungkan beberapa sel secara seri dibuat bipolar plates. Plat ini telah memotong saluran di dalamnya sehingga gas dapat mengalir di atas permukaan elektroda. Pada saat yang sama, mereka dibuat sedemikian rupa sehingga mereka membuat kontak listrik yang baik dengan permukaan dari masing-masing elektroda alternatif. Sebuah desain sederhana dari bipolar plate ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3  Two bipolar plates of very simple design.

Untuk menghubungkan beberapa sel secara seri, anoda / elektrolit / katoda rakitan (seperti dalam Gambar 4). Ini kemudian stacked (ditumpuk bersama-sama) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

 Gambar 4  Basic cathode–electrolyte–anode construction of a fuel cell.

Gambar 5   A three-cell stack showing how bipolar plates connect the anode of one cell to the cathode of its neighbour.

Stack ini memiliki saluran vertikal untuk umpan hidrogen pada anoda dan saluran horizontal untuk umpan oksigen pada katoda. Hasilnya adalah sebuah blok yang solid sehingga arus listrik yang lewat menjadi efisien, lebih atau kurang lurus melalui sel-sel bukan dari atas permukaan elektroda setiap satu demi satu. Elektroda juga baik didukung, dan seluruh struktur yang kuat dan kokoh. Namun, desain dari bipolar plate tidaklah sederhana. Jika kontak listrik akan dioptimalkan, titik-titik kontak harus sebagai besar mungkin, tapi ini akan mengurangi aliran gas yang baik pada elektroda.

(bersambung di bagian 2.....)