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 500-1000^oC. 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 650^oC, dan elektrolit yang digunakan adalah garam karbonat (Li₂CO₃, K₂CO₃, dll) dalam bentuk larutan. Sedangkan SOFC, bekerja pada suhu 1000^oC, 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 200^oC. 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 200^oC, 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 100^oC, 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