PELAT BIPOLAR

Pelat bipolar merupakan bagian penting dari sistem fuel cell. Pelat bipolar itu sendiri merupakan komponen utama dalam PEMFC yang berfungsi untuk mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda menuju katoda. Sebagai komponen utama dalam PEMFC, pelat bipolar berkontribusi terhadap 80% dari volum PEMFC, 70% dari berat PEMFC serta 60% dari biaya fabrikasi PEMFC^[7]. Hal ini berarti bahwa reduksi ukuran, berat dan biaya fabrikasi pelat bipolar PEMFC dapat difokuskan pada pemilihan material serta metode fabrikasi yang tepat^[8]. 

Pelat bipolar ini berperan dalam mengumpulkan arus dari masing-masing Membran Electrolite Assembly (MEA) yang terletak di antara pelat anoda dan pelat katoda. Syarat utama material yang dapat dijadikan sebagai pelat bipolar adalah mampu mengalirkan listrik atau menghantarkan elektron dengan baik dan tidak dapat ditembus gas. Pelat bipolar biasanya dibuat dari bahan grafit, logam seperti alumunium, baja tahan karat (stainless steel), paduan titanium paduan nikel, atau dapat juga dibuat dari material komposit.  Fungsi utama pelat bipolar dalam fuel cell adalah sebagai berikut^[8]:

·         Mengalirkan elektron ke seluruh sirkuit fuel cell,

·         Mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda dan katoda,

·         Menyatukan rangkaian fuel cell yang dilengkapi voltase (rangkaian fuel cell tergantung pada bentuk pelat bipolar),

·         Mengalirkan dan mendistribusikan gas ke elektroda secara merata,

·         Memisahkan oksigen dan bahan bakar gas lainnya,

·         Memasukkan gas H₂ ke anoda dan memasukkan gas O₂ katoda,

·         Membuang air hasil reaksi,

·         Berperan sebagai penguat mekanis sekaligus penahan membran tipis dan elektroda dan sebagai penjepit rangkaian fuel cell,

·         Berperan sebagai konduktor panas untuk meregulasikan temperatur fuel cell dan memindahkan panas dari elektroda ke saluran pendingin.

Sementara spesifikasi yang harus dipenuhi oleh suatu material agar dapat dijadikan sebagai pelat bipolar sesuai dengan standar yang ditetapkan oleh Departemen Energi Amerika Serikat (Department of Energy United States) dapat dilihat pada tabel 2.3 di bawah ini^[8]:

Tabel 2.3 Spesifikasi Material untuk Pelat Bipolar Ideal^[8]

Parameter	Standar Nilai
Konduktivitas Listrik	> 100 S/cm
Kekuatan	Mampu menahan tekanan 200 Psi
Bobot	Maksimum 200 gram/pelat
Volum	1 L/kW/stack
Biaya Fabrikasi	< $ 0,0045/cm2
Kerapatan Arus Decay	< 10% per 5000 jam operasi
Daya Tembus (permeability)	Maksimum kebocoran H2 10-4cm3/s-cm2

Sementara bahan yang dapat dijadikan sebagai pelat bipolar berikut karakteristiknya dapat dilihat pada tabel di bawah ini^[12]:

Tabel 2.4 Material untuk Pelat Bipolar PEMFC^[12]

Bahan	Paduan	Karakteristik
Grafit	Diimpregnasi dengan polimer	Konduktivitas tinggi, tebal, getas, biaya membuat saluran air mahal
Logam atau paduan logam	Paduan Ni, paduan Cr, stainless steel, baja titanium	Konduktivitas tinggi, korosi, biaya membuat saluran air mahal
Komposit	Komposit polimer/karbon, komposit karbon/karbon	Ringan, murah, konduktivitas rendah dibandingkan grafit dan logam
Plastik konduktif	Plastik cair kristalin	Konduktivitas relatif rendah

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Polymer electrolyte membrane fuel cell atau biasa disebut juga dengan proton exchange membrane fuel cell merupakan salah satu jenis fuel cell yang menggunakan membran pertukaran solid state untuk memisahkan elektrodanya. Membran ini pertama kali ditemukan oleh seorang ilmuwan yang bernama William Grubbs pada tahun 1959^[6]. Grubs menemukan bahwa tanpa adanya asam yang kuat pada membran ini maka membran tersebut akan mampu untuk memindahkan kation dan proton ke katoda^[6]. PEMFC adalah salah satu jenis fuel cell yang mempunyai kelebihan dapat bekerja pada temperatur rendah, ringan, dan dapat dibuat dengan ukuran kecil sehingga dapat mengurangi biaya produksi. PEMFC adalah sebuah perangkat elektrokimia yang mengubah secara langsung energi kimia bahan bakar menjadi energi listrik melalui reaksi berpasangan oksidasi-reduksi^[2].

Pada lima tahun terakhir, penelitian PEMFC mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Industri otomotif melakukan investasi melalui berbagai usaha dalam mengkomersialisasi PEMFC pada mobil dengan harapan mampu bersaing dengan kendaraan bermesin bakar internal^[7]. Secara umum, material penyusun PEMFC dapat dilihat pada tabel 2.2 di bawah ini^[6]:

Tabel 2.2 Komponen Utama Penyusun PEMFC^[6]

Komponen	Bahan Penyusun
Membrane Electrolyte Assembly (MEA)	Polimer solid terimpregnasi dengan lapisan katalis pada anoda dan katoda. Kertas atau kain karbon berpori untuk Gas Diffusion Layer (GDL)
Pelat Bipolar	Grafit, stainless steel, atau komposit polimer termoplastik
Pelat Penutup	Material dengan kekuatan mekanis yang baik (biasanya baja atau alumunium)
Penyimpan Arus	Logam dengan kontak elektrik dan konduktivitas yang baik (biasanya tembaga)

Keunggulan yang dimiliki oleh Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) secara umum adalah tingkat efisiensi energi yang tinggi, densitas energi yang tinggi, dapat digunakan pada temperatur pengoperasian yang rendah, suplai bahan bakar yang tepat serta dapat digunakan untuk jangka waktu pemakaian yang cukup lama^[8]. Keunggulan yang dimiliki oleh PEMFC secara terperinci adalah sebagai berikut^[9]:

• PEMFC mempunyai elektrolit padat yang memberikan ketahanan yang sangat baik terhadap gas.
• Temperatur operasi PEMFC yang rendah memungkinkan waktu start up yang cepat.
• PEMFC tidak memiliki konstituen sel yang bersifat korosif.
• PEMFC cocok digunakan terutama untuk situasi dimana hidrogen murni dapat digunakan sebagai bahan bakar
• PEMFC mampu beroperasi pada kondisi tekanan hingga 3000 Psi dan memiliki diferensial tekanan hingga 500 Psi.
• Stack PEMFC mudah untuk disusun sehingga mudah untuk digunakan dalam berbagai aplikasi.
• Kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh PEMFC cukup bervariasi mulai dari 0.1 watt – 100 kW.
• PEMFC dapat beroperasi pada densitas arus yang sangat tinggi dibandingkan dengan jenis fuel cell yang lainnya.

Secara umum biaya fabrikasi yang cukup tinggi untuk memproduksi Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) masih menjadi kendala utama untuk dapat memproduksi alat konversi energi alternatif ini. Oleh karena itu diperlukan suatu inovasi dan terobosan dalam mendesain suatu proses fabrikasi dan pemilihan material yang tepat melaui suatu penelitian secara komprehensif sehingga PEMFC ini dapat diproduksi dalam jumlah masal dengan harga cukup ekonomis. Sementara keterbatasan yang dimiliki oleh PEMFC adalah sebagai berikut^[10]:

• Temperatur operasi yang rendah dan rentang temperatur kerja yang sempit merupakan kendala tersendiri dalam membuat manajemen panas PEMFC.
• Pengolahan air (water management) merupakan salah satu tantangan tersendiri dalam mendesain PEMFC.
• PEMFC sangat sensitif terhadap kontaminasi oleh gas CO, sulfur dan amonia.
• Kualitas panas yang dihasilkan PEMFC rendah dan tidak dapat digunakan secara efektif di semua tempat.