Pengaruh Variasi Besar Butir Carbon Black Terhadap Karakteristik Pelat Bipolar

Transkripsi

1 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (1) 2012 : ISSN : Pengaruh Variasi Besar Butir Carbon Black Terhadap Karakteristik Pelat Bipolar YUNITA SADELI DAN MUTAKIN Departemen Teknik Metalurgi dan Material, FT UI yunce@metal.ui.ac.id BAMBANG PRIHANDOKO DAN ACHMAD SUBHAN Pusat Penelitian Fisika LIPI, PUSPIPTEK Tangsel Diterima : 22 Maret 2012 Revisi : 16 April 2012 Disetujui: 23 April 2012 ABSTRAK : Pelat bipolar salah satu bagian dari PEMFC mempengaruhi berat dan harga fuel cell. Penelitian pelat bipolar telah dilakukan dengan memanfaatkan limbah grafit EAF dan serabut kelapa sawit sebagai sumber carbon black melalui proses pirolisa inert gas nitrogen pada suhu C. Carbon black dihaluskan dengan metoda ball miling yang menghasilkan butiran carbon black. Hasil carbon black dicampurkan sebanyak 5%wt dalam grafit EAF 95% dengan menggunakan mixer. Kemudian bahan filer ini 80% dicampurkan dengan 20% matrik epoxy dan hardenernya. Campuran ini dicetak dengan metoda hot press pada suhu 70 0 C dan tekanan sebesar 350MPa. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi ukuran partikel 44 µm dan 37 µm carbon black 5% dengan rasio 100:0; 90:10; 80:20; dan 70:30. Kekuatan fleksural optimum dan konduktivitas listrik didapat pada komposisi 44µm dan 37 µm dengan rasio 90:100 yaitu 24,02 MPa dan 2,71 S/cm. Densitas dan porositas terkecil didapat pada komposisi 44 µm dan 37 µm dengan rasio 70:30 yaitu 1,66 g/cm3 dan 0,48%. Hasil pengamatan visual menunjukkan bahwa pelat bipolar memiliki permukaan yang relatif halus, rata, dan tidak adanya retak. KATA KUNCI : serabut kelapa sawit, carbon black, EAF, epoxy, pelat bipolar. ABSTRACT : Bipolar plates of PEMFC affect the weight and price of the fuel cell. Research of bipolar plates have been made by utilizing waste EAF graphite fibers and oil palm as a source of black carbon through pyrolysis process inert nitrogen gas at a temperature of C. Carbon black was smoothed by methods of ball miling that produce carbon black granules. The results of carbon black had be mixed in as much as 5 wt% graphite EAF 95% by using a mixer. Then the filer material was 80% mixed with 20% epoxy matrix and hardener. This mixture was molded with a hot press method at a temperature of 70 0 C and a pressure of 350MPa. This research was conducted to determine the effect of variations in particle size 44 μm and 37 μm of 5%wt carbon black with ratio 100:0; 90:10; 80:20, and 70:30. Fleksural optimum strength and electrical conductivity obtained on the composition of 44μm and 37 μm with a ratio 90:10 is MPa and 2.71 S/cm. Smallest density and porosity obtained on the composition of 44 μm and 37 μm with a ratio of 70:30 is 1.66 g/cm3 and 0.48%. The results of visual observations indicate that bipolar plates have a relatively smooth surface, flat, and the absence of cracks. KEYWORDS : palm fiber, carbon black, EAF, epoxy, bipolar plate. 1. PENDAHULUAN Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil ini setidaknya memiliki tiga ancaman serius yaitu menipisnya cadangan minyak bumi, kenaikan atau ketidakstabilan harga akibat laju permintaan, dan polusi gas rumah kaca (terutama CO2) akibat pembakaran bahan bakar fosil. Saat ini, diperlukan langkah-langkah konkrit dalam pengembangan dan penggunaan energi alternatif untuk mengantisipasi terhadap menipisnya cadangan minyak bumi. Salah satu bahan bakar alternatif adalah hidrogen yang dapat dikonversi ke energi listrik dengan sistem fuel cell dengan sifat ramah lingkungan, efisiensi tinggi, tidak bising dan portable. Oleh karena itu,fuel cell ini digunakan pada kendaraan bermotor, ponsel, komputer, alat rumah tangga maupun pembangkit listrik[1]. Sistem fuel cell terdiri dari beberapa komponen, yaitu membran elektrolit, pelat bipolar, pelat penutup, dan pengumpul arus[2,3]. Penelitian banyak mengarah kepada pelat bipolar dikarenakan komponen ini hampir mempengaruhi 80% volum, 70% berat dan 60% biaya produksi dari fuel cell[2]. 25

2 Pengaruh Variasi Besar Butir. Yunita Sadeli Gambar 1. Sketsa fuel cell dengan komponen penyusunnya. Pelat bipolar digunakan sebagai penghubung elektrik antara dua elektroda dengan kutub yang berbeda. Selain itu, pelat bipolar berfungsi untuk mendistribusikan gas ke membran, memfasilitasi aliran air dari setiap sel, penghantar elektron dari anoda ke katoda, mengalirkan arus listrik, penghantar panas dari dan menuju elektroda mengalirkan produk akhir dalam bentuk air dari tiap sel, penghalang perpindahan gas antar sel, dan menjaga stabilitas struktur dari PEMFC[4]. Material komposit berbasis karbon merupakan material yang dipilih sebagai material pelat bipolar karena memiliki kelebihan diantaranya memiliki densitas yang rendah, memiliki ketahanan korosi yang baik, dan resistansi rendah. Matriks dalam komposit ini adalah grafit EAF dan carbon black sebagai filler, sedangkan polimer yang digunakan sebagai binder dari komposit ini merupakan jenis termoset yaitu resin epoksi, yang memiliki sifat mudah diproses, murah, sifat mekanis dan termal yang baik, antara lain ketahanan korosi yang tinggi, memiliki shrinkage yang rendah ketika mengalami proses curing[5]. Pada umumnya, sifat material komposit dipengaruhi oleh beberapa factor penting, yang salah satunya adalah material penyusun[6]. Proses pencampuran material-material penyusun komposit, akan menyebabkan terbentuk void atau porositas yang akan mempengaruhi performa fuel cell tersebut. Carbon black yang mempunyai ukuran partikel lebih kecil diharapkan mengisi porositas tersebut dan menurunkan permeabilitas komposit. Permeabilitas yang rendah akan meningkatkan performa fuel cell karena akan menghasilkan reaksi antarmuka (interface) yang baik antara grafit dan epoxy sehingga dapat meningkatkan konduktivitas pelat. Oleh karena itu diperlukan variasi ukuran partikel yang optimum agar tercapai suatu pelat bipolar yang memiliki sifat mekanis dan konduktivitas baik, sehingga penggunaan pelat bipolar menjadi efektif. 2. METODOLOGI PENELITIAN Pelat bipolar dibuat dari material karbon-karbon komposit dengan perbandingan komposisi dari berat total material yang digunakan adalah 80%wt. karbon yang terdiri dari campuran 95%wt. grafit EAF berukuran 44 μm dan 5%wt. carbon black, sedangkan 20%wt lainnya terdiri dari resin epoksi dan hardener. Ukuran partikel 5%wt. carbon black yang digunakan dalam penelitian ini divariasikan antara ukuran partikel 44 μm dan 37 μm dengan perbandingan 100:0; 90:10; 80:20; dan 70:30. Pembuatan pelat bipolar dilakukan dengan metoda compression moulding yang menggunakan tekanan 45 MPa, dengan temperatur cetakan 100 o C selama 4 jam. Setelah proses pembuatan pelat, dilakukan pengujian untuk mengetahui sifat yang dihasilkan. Spesimen uji untuk konduktivitas, densitas, dan porositas berukuran 2 x 2 cm, sedangkan spesimen uji berukuran 12 x 1,3 cm digunakan untuk uji fleksural, lihat Gambar 2. Ukuran sampel yang digunakan sesuai dengan standard pengujian ASTM yang digunakan, yaitu ASTM C20 untuk pengujian porositas dan ASTM D790 untuk pengujian fleksural [6]. 26

3 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (1) 2012 : ISSN : Gambar 2. Pelat Bipolar dan specimen uji. Pengujian konduktifitas dilakukan dengan menggunakan alat digital Veeco FPP 5000-four point probe test.. Prinsip kerja alat ini menggunakan 4 titik yang terdiri dari titik 1 dan 4 sebagai titik pengukur arus yang dibaca di amperemeter, sedangkan titik 2 dan 3 sebagai pengukur tegangan yang akan dibaca di voltmeter. Pengujian konduktifitas dilakukan menurut ASTM B 193 [6]. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pelat bipolar yang mempengaruhi 70% berat dari total berat sistem fuel cell[5], maka dari penelitian ini diharapkan didapatkan pelat bipolar yang memiliki densitas yang rendah sehingga dapat mengurangi total berat dari fuel cell. Pelat bipolar dengan densitas yang rendah tersebut akan dapat meningkatkan efisiensi dari PEMFC sehingga dapat digunakan pada berbagai aplikasi, khususnya portable application. Gambar 3 memperlihatkan peningkatan densitas pada komposisi partikel carbon black 44 μm dan 37 μm dengan rasio 90:10. Hal ini disebabkan oleh pengaruh komposisi partikel carbon black berukuran 37 μm telah mengisi rongga-rongga atau void yang terdapat pada partikel-partikel grafit. Artinya, partikel carbon black berfungsi sebagai intertisi pada struktur grafit. Gambar 3. Hasil pengujian densitas dengan variasi besar partikel carbon black. Semakin banyak penambahan partikel partikel carbon black berukuran 37 µm, seperti pada rasio 80:20 dan 70:30, maka nilai densitas dari pelat bipolar menurun. Berarti pengaruh dari meningkatnya jumlah partikel carbon black dengan ukuran 37 µm pada variasi tersebut, akan menghasilkan penurunan densitas dari pelat bipolar dibandingkan pelat bipolar yang tidak ada penambahan partikel carbon black berukuran 37 µm. Namun, penurunan nilai densitas tidak terlalu mencolok, dan masih dapat diasumsikan bahwa pengaruh variasi ukuran partikel carbon black tidak terlalu mempengaruhi nilai densitas dari pelat bipolar, karena persentase kenaikan dan penurunan masih terbilang kecil. Nilai densitas yang dimiliki oleh masing-masing pelat yang dihasilkan 27

4 Pengaruh Variasi Besar Butir. Yunita Sadeli memenuhi standar berat untuk pelat bipolar, yakni kurang dari 5 gr/cm3oleh karena itu, nilai densitas komposit berbasis karbon ini telah memenuhi syarat nilai DOE [7]. Gambar 4. Hasil pengujian porositas dengan variasi besar partikel carbon black. Kehadiran porositas didalam pelat bipolar sangat tidak diinginkan. Porositas merupakan suatu daerah kosong yang terbentuk diantara komponen- komponen penyusun di dalam material komposit pelat bipolar. Gasgas reaktan yang digunakan sebagai bahan bakar pada fuel cell dapat keluar melalui pori yang terbentuk pada pelat bipolar dan menurunkan efisiensi dari penggunaan fuel cell. Diharapkan nilai porositas yang dihasilkan pada pelat bipolar sekecil mungkin. Salah satu karakteristik yang dipersyaratkan dalam nilai DOE adalah tingkat porositas yang kurang dari 1% [9]. Berdasarkan grafik pada Gambar 4 terlihat pengaruh variasi ukuran partikel carbon black terhadap porositas. Porositas yang dimiliki pelat bipolar ini tergolong kecil. Kecenderungan kenaikan porositas, dengan bertambahnya jumlah partikel carbon black berukuran 37 µm dengan rasio 70:30. Dapat diasumsikan bahwa semakin banyak partikel carbon black berukuran 37 µm yang ditambahkan ke dalam variasi, porositas cenderung meningkat, walaupun awalnya porositas cenderung sedikit (rasio 80:20 dan 70:30). Rongga antara partikel grafit EAF berukuran 44 µm diisi oleh partikel carbon black hasil pirolisis dengan variasi ukuran 44 µm dan 37 µm yang berstruktur berpori. Ukuran partikel 37 µm yang seharusnya diharapkan menjadi pengisi void tidak berperan secara efektif. Hal ini disebabkan oleh sifat pori yang dimilikinya. Ukuran partikel carbon black yang semakin kecil membuatnya sulit terdistribusi merata dan cenderung membentuk pengelompokkan / aglomerasi[10]. Porositas yang terkandung pada seluruh pelat bipolar komposit masih rendah, yakni berkisar 1%. Porositas terendah dimiliki oleh sampel yang dihasilkan dengan menggunakan variasi ukuran partikel carbon black dengan rasio 90:10. Sifat mekanik yang baik sangat diperlukan oleh suatu pelat bipolar. Penelitian yang dilakukan ini, diuji kekuatan fleksural dari pelat bipolar yang dihasilkan. Berdasarkan persyaratan yang ditetapkan oleh DOE mengenai kekuatan fleksural pelat bipolar, maka pelat bipolar yang dihasilkan diharapkan dapat memenuhi persyaratan tersebut, yaitu > 25 MPa[9]. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui kekuatan pelat bipolar dalam menahan beban tekan, yang dalam aplikasinya nanti pelat bipolar banyak mengalami tekanan gas baik yang masuk maupun yang keluar dari fuel cell. Pelat bipolar yang dihasilkan pada penelitian ini memiliki nilai fleksural yang beragam, seperti terlihat pada Gambar 5. Berdasarkan Gambar 4, terlihat bahwa kekuatan fleksural pelat bipolar mengalami pengingkatan yang cukup tinggi ketika adanya penambahan partikel carbon black berukuran 37 µm dengan rasio 90:10. Penambahan carbon black dengan ukuran partikel 37 µm yang semakin banyak, seperti pada rasio 80:20 dan 70:30, maka kekuatan fleksural yang dihasilkan akan semakin menurun. Berarti pada rasio 90:10 merupakan kondisi optimum dari penambahan ukuran partikel carbon black berukuran 37 µm. 28

5 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (1) 2012 : ISSN : Gambar 5. Hasil pengujian kekuatan fleksural dengan variasi besar partikel carbon black. Pembasahan yang terjadi antara antarmuka karbon dengan resin epoksi juga mempengaruhi kekuatan fleksural yang dihasilkan[8]. Ketika pembasahan yang terjadi baik, maka diperlukan gaya yang lebih besar untuk dapat memutuskan ikatan antarmuka, sehingga sifat mekanis yang dihasilkan lebih baik. Selain itu, ukuran partikel carbon black yang semakin kecil kemungkinan akan mengakibatkan sulitnya mendapatkan distribusi yang merata dan cenderung membentuk pengelompokan atau aglomerasi [9]. Terbentuknya aglomerasi akan melemahkan ikatan antarmuka sehingga menurunkan sifat mekanis pelat bipolar. Hasil pengujian ini menghasilkan kekuatan fleksural terbaik yang dimiliki oleh sampel dengan menggunakan variasi ukuran partikel carbon black dengan rasio 90:10 yaitu sebesar 24,02 MPa (hampir mendekati target DOE 25MPa). Konduktivitas listrik merupakan faktor yang paling penting di dalam pelat bipolar. Sebuah pelat bipolar, harus memiliki nilai konduktivitas listrik yang tinggi, yang artinya kemampuan didalam menghantarkan elektron semakin baik. Untuk mendukung fungsi tersebut, maka diperlukan suatu material dengan konduktivitas yang baik sehingga dapat memenuhi persyaratan dari suatu pelat bipolar (> 100 S/cm). Berdasarkan penguji an konduktivitas yang dilakukan dengan menggunakan alat 4 point test probe, didapatkan data hasil pengujian konduktivitas seperti pada Gambar 6. Pada Gambar 6, terlihat bahwa pelat bipolar cenderung mengalami penurunan konduktivitas listrik dengan adanya penambahan carbon black berukuran 37 µm yang semakin banyak (rasio 80:20 dan 70:30). Nilai konduktivitas tertinggi yang didapat yaitu sebesar 2,71 S/cm (rasio 90:10). Nilai tersebut masih jauh dari target yang ditetapkan oleh DOE. 29

6 Pengaruh Variasi Besar Butir. Yunita Sadeli Gambar 6. Hasil pengujian konduktifitas dengan variasi besar partikel carbon black. Ukuran dari partikel dan luas permukaan akan menentukan sifat yang diihasilkan dari carbon black. Ukuran partikel yang kecil akan memiliki luas permukaan yang tinggi sehingga akan lebih mudah untuk dibasahi dan dapat dengan mudah larut ketika dicampur dengan material lain daripada carbon black yang memiliki ukuran yang besar dengan luas permukaan yang kecil[42]. Selain itu, ukuran partikel yang kecil akan menghasilkan konduktivitas listrik yang tinggi.tetapi pengaruh tersebut hanya didapat pada penambahan carbon black berukuran 37µm dalam jumlah yang sedikit (rasio 90:10). Tetapi tidak terjadi peningkatan nilai konduktivitas pada penambahan carbon black berukuran 37µm dalam jumlah banyak. Dari penelitian yang dilakukan, dengan pengaruh variasi partikel carbon black, didapatkan Tabel 1 yang memuat perbandingan sifat-sifat yang dihasilkan dari pelat bipolar yang dibuat. Tabel 1. Perbandingan hasil uji dari semua sampel Berdasarkan keterangan yang ada pada Tabel 1, pelat bipolar terbaik yang dihasilkan dari penelitian ini adalah pelat dengan variasi ukuran partikel carbon black 5wt.% ( 44 µm:37 µm) adalah variasi dengan rasio 90:10. Pelat bipolar ini memiliki densitas yang paling tinggi (1,76 gr/cm3), porositas yang kecil (0,5%), kekuatan fleksural yang optimum (24,02MPa) dan konduktivitas yang paling tinggi (2,71S/cm). 30

7 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 (1) 2012 : ISSN : KESIMPULAN Beberapa kesimpulan dari hasil penelitian yang telah dilakukan didapatkan antara lain: Variasi ukuran partikel carbon black tidak mempengaruhi proses pembuatan pelat bipolar. Meningkatnya variasi ukuran partikel carbon black, secara umum akan berpengaruh terhadap peningkatan porositas, penurunan densitas, konduktivitas listrik, dan kekuatan fleksural. Pelat bipolar yang optimum didapat pada komposisi 44 µm dan 37 µm dengan rasio 90:10, memiliki densitas yang paling tinggi (1,76 gr/cm3), porositas yang kecil (0,5%), kekuatan fleksural yang optimum (24,02MPa) dan konduktivitas yang paling tinggi (2,71S/cm). Berdasarkan target DOE, terdapat dua sifat yang terpenuhi yaitu, porositas dan densitas. Kekuatan fleksural hampir mencapai target, sedangkan konduktivitas listrik masih jauh dari target. DAFTAR PUSTAKA [1]. diakses pada tanggal 17 oktober 2010 pukul [2]. Yuhua Wang. Thesis: Conductive Thermoplastic Composite Blends for Flow Field Plates for Use in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC), University of Waterloo, Ontario, Canada, [3]. diakses pada tanggal 16 desember pukul WIB [4]. Hermanna, Allen, Tapas Chaudhuria, and Priscila Spagnolb. Bipolar plates for PEM Fuel Cells : A Review. Golden National Renewable Energy Laboratory. Colorado: University of Colorado, International Journal of Hydrogen Energy. Elsevier, [5]. Ling Du. Dissertation: Highly Conductive Epoxy/Graphite Polymer Composite Pelat bipolars In Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cells [6]. ASM International Comittee. Composites. ASM Handbook Vol [7]. US. Department of Energy. Fuel cell Handbook 7th Edition. Morgantown,West Virginia: EG & G Technical Services Inc., November 2004.p [8]. C.H, Steele, Brian, Angelika Heinzel. Insight Review Articles:Materials For Fuel Cell Technologies, Macmillan Magazines ltd. London, [9]. Novianto, Desto Wahyu. Skripsi: Pengaruh Penambahan Tekanan Compression Moulding Terhadap Karakteristik Pelat Bipolar Komposit (Epoxy/Carbon EAF-10%Cb) Untuk Aplikasi PEMFC. Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia,

8 Pengaruh Variasi Besar Butir. Yunita Sadeli 32