Sel bahan bakar adalah teknologi krusial dalam pencarian energi bersih dan berkelanjutan. Memahami kimia di balik sel bahan bakar sangat penting untuk menguasai konsep elektrokimia, reaksi redoks, dan konversi energi. Artikel ini menyajikan kumpulan 32 soal latihan komprehensif tentang kimia sel bahan bakar, dirancang untuk menguji dan memperdalam pemahaman Anda. Anda akan menemukan 20 soal pilihan ganda, 5 isian singkat, 5 uraian, dan 2 soal menjodohkan, semuanya dilengkapi dengan kunci jawaban dan penjelasan rinci. Materi ini mencakup prinsip dasar, komponen utama, jenis-jenis sel bahan bakar (PEMFC, SOFC, dll.), serta kelebihan dan kekurangannya. Dengan berlatih soal-soal ini, Anda akan siap menghadapi ujian, memahami aplikasi dunia nyata, dan mengapresiasi peran penting sel bahan bakar dalam masa depan energi.
Pilihan Ganda
-
Apa prinsip dasar yang mendasari kerja sel bahan bakar?
- A. Mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung
- B. Mengubah energi panas menjadi energi listrik melalui pembakaran
- C. Mengubah energi kinetik menjadi energi listrik
- D. Mengubah energi cahaya menjadi energi listrik
Jawaban: A
Pembahasan: Sel bahan bakar mengubah energi kimia bahan bakar (misalnya hidrogen) menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia langsung, bukan melalui pembakaran. -
Reaksi apa yang terjadi di anoda sel bahan bakar hidrogen-oksigen?
- A. O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
- B. H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
- C. 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
- D. O₂ + 2H₂ → 2H₂O
Jawaban: B
Pembahasan: Di anoda, hidrogen teroksidasi menjadi proton (H⁺) dan elektron (e⁻). -
Produk samping utama dari sel bahan bakar hidrogen-oksigen adalah…
- A. Karbon dioksida
- B. Nitrogen oksida
- C. Air
- D. Metana
Jawaban: C
Pembahasan: Ketika hidrogen bereaksi dengan oksigen di sel bahan bakar, produk utamanya adalah air (H₂O), membuatnya menjadi teknologi yang bersih. -
Membran penukar proton (PEM) pada sel bahan bakar berfungsi untuk…
- A. Mengalirkan proton dan memisahkan elektron
- B. Mengalirkan elektron dan memisahkan proton
- C. Mengalirkan gas hidrogen dan oksigen
- D. Menjadi tempat terjadinya reaksi redoks
Jawaban: A
Pembahasan: Membran PEM dirancang untuk mengalirkan proton (H⁺) dari anoda ke katoda sambil memisahkan elektron, sehingga elektron harus melalui sirkuit eksternal untuk menghasilkan listrik. -
Sel bahan bakar padat oksida (SOFC) beroperasi pada suhu tinggi karena penggunaan…
- A. Membran penukar proton
- B. Elektrolit basa
- C. Katalis platinum
- D. Elektrolit keramik padat
Jawaban: D
Pembahasan: SOFC menggunakan elektrolit keramik padat (misalnya YSZ) yang hanya konduktif untuk ion oksida (O²⁻) pada suhu tinggi, biasanya 600-1000 °C. -
Reaksi reduksi pada katoda sel bahan bakar hidrogen-oksigen (dengan elektrolit asam) adalah…
- A. O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
- B. H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
- C. O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
- D. 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Jawaban: A
Pembahasan: Di katoda, oksigen bereaksi dengan proton (H⁺) dan elektron (e⁻) yang datang dari sirkuit eksternal untuk membentuk air. -
Katalis yang paling umum digunakan pada anoda dan katoda sel bahan bakar PEM adalah…
- A. Nikel
- B. Platinum
- C. Perak
- D. Tembaga
Jawaban: B
Pembahasan: Platinum (Pt) adalah katalis yang sangat efektif untuk reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen pada suhu rendah, meskipun mahal. -
Salah satu keunggulan utama sel bahan bakar dibandingkan mesin pembakaran internal adalah…
- A. Harga yang lebih murah
- B. Waktu pengisian bahan bakar yang lebih cepat
- C. Membutuhkan suhu operasi yang sangat tinggi
- D. Efisiensi energi yang lebih tinggi dan emisi yang rendah
Jawaban: D
Pembahasan: Sel bahan bakar mengubah energi kimia langsung menjadi listrik, melewati tahap panas mekanis, sehingga memiliki efisiensi yang lebih tinggi dan emisi yang lebih rendah. -
Dalam sel bahan bakar, proses oksidasi terjadi pada elektroda yang disebut…
- A. Anoda
- B. Katoda
- C. Elektrolit
- D. Membran
Jawaban: A
Pembahasan: Oksidasi selalu terjadi di anoda, di mana bahan bakar melepaskan elektron. -
Jenis sel bahan bakar yang menggunakan metanol cair sebagai bahan bakar langsung disebut…
- A. PEMFC
- B. SOFC
- C. DMFC
- D. PAFC
Jawaban: C
Pembahasan: DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) secara langsung mengoksidasi metanol di anoda. -
Apa peran elektrolit dalam sel bahan bakar?
- A. Menghasilkan elektron
- B. Mengalirkan ion antar elektroda
- C. Mencegah reaksi samping
- D. Menjadi bahan bakar utama
Jawaban: B
Pembahasan: Elektrolit memungkinkan ion untuk bergerak antar elektroda, melengkapi sirkuit internal dan memungkinkan reaksi elektrokimia berlanjut. -
Sel bahan bakar yang menggunakan asam fosfat sebagai elektrolit dan beroperasi pada suhu sedang (sekitar 150-220 °C) adalah…
- A. AFC
- B. MCFC
- C. SOFC
- D. PAFC
Jawaban: D
Pembahasan: PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) menggunakan asam fosfat cair sebagai elektrolit dan beroperasi pada suhu menengah. -
Kelemahan utama sel bahan bakar hidrogen adalah…
- A. Tantangan penyimpanan hidrogen
- B. Emisi karbon dioksida yang tinggi
- C. Efisiensi yang sangat rendah
- D. Kebutuhan air sebagai bahan bakar
Jawaban: A
Pembahasan: Penyimpanan hidrogen yang aman, padat energi, dan ekonomis masih menjadi tantangan besar untuk aplikasi luas. -
Sel bahan bakar lelehan karbonat (MCFC) beroperasi pada suhu tinggi dan menggunakan ion apa sebagai pembawa muatan?
- A. H⁺
- B. OH⁻
- C. CO₃²⁻
- D. O²⁻
Jawaban: C
Pembahasan: MCFC menggunakan campuran garam karbonat cair sebagai elektrolit dan mengalirkan ion karbonat (CO₃²⁻) dari katoda ke anoda. -
Apa yang dimaksud dengan ‘reformer’ dalam konteks sel bahan bakar?
- A. Alat untuk menyimpan hidrogen
- B. Perangkat yang mengubah bahan bakar lain menjadi hidrogen
- C. Komponen yang memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen
- D. Sistem pendingin untuk sel bahan bakar
Jawaban: B
Pembahasan: Reformer adalah unit yang mengubah bahan bakar hidrokarbon (misalnya metana, LPG) menjadi hidrogen, yang kemudian dapat digunakan oleh sel bahan bakar. -
Reaksi keseluruhan untuk sel bahan bakar hidrogen-oksigen adalah…
- A. CₓHᵧ + O₂ → CO₂ + H₂O
- B. 2H₂O → 2H₂ + O₂
- C. N₂ + 3H₂ → 2NH₃
- D. 2H₂ + O₂ → 2H₂O
Jawaban: D
Pembahasan: Reaksi oksidasi hidrogen di anoda dan reduksi oksigen di katoda menghasilkan air sebagai produk total. -
Sel bahan bakar alkali (AFC) menggunakan elektrolit basa, biasanya kalium hidroksida (KOH). Ion apa yang menjadi pembawa muatan di AFC?
- A. H⁺
- B. OH⁻
- C. O²⁻
- D. K⁺
Jawaban: B
Pembahasan: Dalam lingkungan basa, ion hidroksida (OH⁻) bergerak dari katoda ke anoda untuk melengkapi sirkuit internal. -
Apa fungsi ‘bipolar plate’ dalam tumpukan sel bahan bakar (fuel cell stack)?
- A. Menghubungkan sel-sel secara elektrik dan mendistribusikan gas
- B. Menyimpan hidrogen dan oksigen
- C. Menjadi katalis untuk reaksi redoks
- D. Memisahkan anoda dan katoda dalam satu sel
Jawaban: A
Pembahasan: Bipolar plate berfungsi ganda: sebagai konduktor listrik antara sel-sel individual dan sebagai jalur untuk distribusi bahan bakar dan oksidan. -
Efisiensi sel bahan bakar biasanya lebih tinggi daripada mesin pembakaran internal karena…
- A. Menggunakan bahan bakar yang lebih murah
- B. Beroperasi pada suhu yang sangat tinggi
- C. Tidak memerlukan katalis
- D. Konversi energi kimia ke listrik secara langsung, bukan melalui siklus panas
Jawaban: D
Pembahasan: Sel bahan bakar tidak terikat oleh batas efisiensi termal Carnot karena mereka mengubah energi kimia langsung menjadi listrik, bukan melalui siklus panas. -
Salah satu tantangan utama dalam komersialisasi sel bahan bakar adalah…
- A. Kekurangan bahan bakar hidrogen secara global
- B. Biaya produksi yang tinggi dan durabilitas
- C. Emisi gas rumah kaca yang berlebihan
- D. Keterbatasan daya output yang sangat rendah
Jawaban: B
Pembahasan: Biaya tinggi katalis (platinum) dan bahan membran masih menjadi hambatan signifikan untuk adopsi massal.
Isian Singkat
-
Sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia dari bahan bakar (misalnya hidrogen) dan oksidan (misalnya oksigen) menjadi energi listrik melalui proses __________.Jawaban: reaksi redoks
-
Elektroda di mana bahan bakar teroksidasi dan melepaskan elektron disebut __________.Jawaban: anoda
-
Sel bahan bakar yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar dan oksigen dari udara sebagai oksidan, serta membran penukar proton, dikenal sebagai __________ (singkatan).Jawaban: PEMFC
-
Ion yang mengalir melalui elektrolit pada sel bahan bakar padat oksida (SOFC) adalah ion __________.Jawaban: oksida (O²⁻)
-
Ketika metana digunakan sebagai bahan bakar, ia harus diubah menjadi hidrogen melalui proses yang disebut __________.Jawaban: reforming
Uraian
-
Jelaskan perbedaan mendasar antara sel bahan bakar dan baterai dalam hal cara kerjanya dan kebutuhan pengisian ulang.Jawaban: Sel bahan bakar adalah perangkat yang menghasilkan listrik selama bahan bakar dan oksidan terus-menerus disuplai dari luar. Mereka tidak menyimpan energi, melainkan mengubahnya secara terus-menerus. Oleh karena itu, sel bahan bakar tidak perlu ‘diisi ulang’ dalam artian baterai, tetapi perlu ‘diisi ulang’ dengan bahan bakar (misalnya hidrogen) secara berkelanjutan. Sebaliknya, baterai adalah perangkat penyimpanan energi yang memiliki reaktan (bahan kimia) yang tersimpan di dalamnya. Setelah reaktan habis (baterai kosong), baterai perlu diisi ulang (diisi ulang secara elektrik) untuk membalikkan reaksi kimia dan menyimpan energi kembali, atau dibuang jika sekali pakai.
-
Sebutkan dan jelaskan dua keunggulan utama sel bahan bakar dibandingkan dengan mesin pembakaran internal untuk aplikasi transportasi.Jawaban: Dua keunggulan utama adalah: 1. Efisiensi Tinggi: Sel bahan bakar mengubah energi kimia langsung menjadi energi listrik tanpa melalui tahap panas yang signifikan, sehingga tidak terikat oleh batasan efisiensi termal Carnot. Ini menghasilkan efisiensi konversi yang jauh lebih tinggi (seringkali 40-60%) dibandingkan mesin pembakaran internal (sekitar 20-30%). 2. Emisi Nol atau Rendah: Untuk sel bahan bakar hidrogen-oksigen, satu-satunya produk samping adalah air murni, menjadikannya teknologi nol emisi di titik penggunaan. Bahkan jika hidrogen dihasilkan dari bahan bakar fosil melalui reforming, emisi gas rumah kaca secara keseluruhan masih jauh lebih rendah dibandingkan pembakaran langsung dalam mesin.
-
Bagaimana suhu operasi memengaruhi pemilihan jenis sel bahan bakar? Berikan contoh dua jenis sel bahan bakar yang beroperasi pada suhu berbeda dan mengapa suhu tersebut penting.Jawaban: Suhu operasi sangat memengaruhi pemilihan bahan elektrolit, katalis, dan bahan bakar yang dapat digunakan. Sel bahan bakar suhu rendah (misalnya PEMFC, <100 °C) memungkinkan start-up cepat dan cocok untuk aplikasi otomotif, tetapi membutuhkan katalis mahal seperti platinum dan rentan terhadap keracunan CO. Sel bahan bakar suhu tinggi (misalnya SOFC, 600-1000 °C) dapat menggunakan katalis yang lebih murah (non-logam mulia), lebih toleran terhadap pengotor CO, dan dapat mereformasi bahan bakar hidrokarbon secara internal. Namun, mereka membutuhkan waktu start-up yang lebih lama dan material yang tahan suhu tinggi, cocok untuk pembangkit listrik statis.
-
Jelaskan peran katalis dalam reaksi elektroda sel bahan bakar dan mengapa platinum seringkali menjadi pilihan utama untuk PEMFC.Jawaban: Katalis berperan penting dalam mempercepat laju reaksi elektrokimia pada permukaan elektroda tanpa ikut bereaksi. Dalam sel bahan bakar, katalis menurunkan energi aktivasi yang dibutuhkan untuk oksidasi bahan bakar di anoda dan reduksi oksidan di katoda. Platinum (Pt) sering menjadi pilihan utama untuk PEMFC karena memiliki aktivitas katalitik yang sangat tinggi untuk reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen pada suhu rendah. Namun, platinum mahal dan rentan terhadap keracunan oleh karbon monoksida (CO) yang dapat muncul sebagai pengotor dalam bahan bakar hidrogen.
-
Gambarlah skema sederhana sel bahan bakar hidrogen-oksigen dan labeli bagian-bagian utamanya serta arah aliran elektron dan ion.Jawaban: Tidak memungkinkan untuk ‘menggambar’ dalam format JSON teks. Namun, skema sederhana akan menunjukkan: Anoda (elektroda negatif), Katoda (elektroda positif), Elektrolit/Membran (di tengah), Sirkuit Eksternal (menghubungkan anoda dan katoda). Labeli juga: H₂ masuk ke anoda, O₂ masuk ke katoda, H₂O keluar dari katoda. Arah aliran: Elektron mengalir dari anoda, melalui sirkuit eksternal, ke katoda. Ion (H⁺ untuk PEMFC) mengalir dari anoda, melalui elektrolit, ke katoda.
Menjodohkan
-
Jodohkan jenis sel bahan bakar dengan karakteristik utamanya.PEMFCSuhu rendah, elektrolit membran polimerSOFCSuhu tinggi, elektrolit keramik padatAFCElektrolit basa, rentan CO₂DMFCMenggunakan metanol cair langsungKunci: Lihat matchingPairs
-
Jodohkan komponen sel bahan bakar dengan fungsinya.AnodaTempat terjadinya oksidasi bahan bakarKatodaTempat terjadinya reduksi oksidanElektrolitMedia pengangkut ionKatalisMempercepat laju reaksi elektrodaBipolar PlateDistribusi gas dan koneksi elektrikKunci: Lihat matchingPairs