Pengaruh Penambahan Carbon Black pada Karakteristik Pelat Bipolar

Transkripsi

1 Pengaruh Penambahan Carbon Black pada Karakteristik Pelat Bipolar (Andi Suhandi) Akreditasi LIPI Nomor: 377/E/2013 Tanggal 16 April 2013 Pengaruh Penambahan Carbon Black pada Karakteristik Pelat Bipolar ANDI SUHANDI DAN SLAMET PRIYONO Pusat Penelitian Fisika LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang Selatan, Banten Diterima: 11 Februari 2013 Revisi: 29 April 2013 Disetujui: 15 Mei 2013 ABSTRAK: Telah dilakukan penelitian komposit pelat bipolar berbasis grafit untuk aplikasi Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Pelat bipolar merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem ini karena beratnya mencapai 60-90% dari berat total stack, dan harganya mencapai 30-60% dari harga total stack. Komposit pelat bipolar terdiri dari grafit sebagai pengisi dan epoxy resin sebagai pengikatnya. Komposisi utama yang digunakan adalah 80 wt% grafit dan 20 wt% epoxy resin kemudian dilakukan variasi subtitusi carbon black 5, 10, 15, dan 20 wt% untuk menggantikan grafit. Pembuatan pelat bipolar dilakukan dengan metoda compression moulding yang menggunakan tekanan 300 kg/cm 2, dengan temperatur cetakan 70 o C selama 4 jam. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui densitas, porositas dan serapan air, konduktifitas listrik, kuat lentur, sifat panas dan morfologi permukaan komposit. Penambahan carbon black menurunkan Konduktifitas listrik dan kekuatan lentur, dan tetapi meningkatkan porositas dan serapan air dan densitas. konduktifitas listrik paling optimum diperoleh pada penambahan carbon black 10wt% yaitu 0,28 S/cm. Analisis permukaan dengan SEM menunjukkan permukaan tidak berpori dan analisis sifat panas dengan DCS menunjukkan pelat bipolar memiliki ketahanan temperatur hingga 180 o C. KATA KUNCI: Bipolar plate, carbon black, PEMFC ABSTRACT: The investigation of bipolar plate composite based on grafit for Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been done. Bipolar plate is a very important component in the system because of the weight reached 60-90% of the total weight of the stack, and worth about 30-60% of the total price of composite bipolar plate stack which consists of graphite as a filler and epoxy resin as a binder. The main composition used was 80 wt% graphite and 20 wt% epoxy resin and then variations of carbon black substitution 5, 10, 15, and 20 wt% were made to replace the graphite. Manufacture of bipolar plates was made by compression molding method that used a pressure of 300 kg/cm 2, the mold temperature 70 C for 4 hours. Characterization is performed to determine the density, porosity and water absorption, electrical conductivity, flexural strength, thermal properties and surface morphology of the composite. The addition of carbon black decreased the electrical conductivity and flexural strength but increase the porosity, water absorption and density. Optimum electrical conductivity obtained with the addition of 10wt% carbon black was 0.28 S / cm. Surface analysis by SEM showed the surface was not porous and analysis of thermal properties with DCS showed that bipolar plate had a temperature resistance up to 180 o C. KEYWORDS: Bipolar plate, carbon black, PEMFC 1. PENDAHULUAN Pemanasan global telah menjadi perhatian seluruh dunia, terutama karena berdampak besar bagi perubahan iklim dan menimbulkan berbagai bencana alam, seperti; kekeringan, banjir, kebakaran hutan, badai, dan topan. Salah satu penyebab terbesar pemanasan global adalah emisi gas rumah kaca yang tinggi dalam seabad terakhir, terutama setelah revolusi industri [1]. Untuk mereduksi emisi gas rumah kaca dan mengurangi ketergantungan akan bahan bakar fosil diperlukan berbagai langkah penggunaan energi alternatif (renewable energy) yang ramah lingkungan. Berbagai energi alternatif yang telah dan terus dikembangkan meliputi: energi angin, energi surya, energi air, energi panas bumi, energi gelombang laut, bahan bakar nabati (biofuel), dan sel bahan bakar (Fuel Cell) [2]. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) atau disebut juga sebagai polymeric fuel cell merupakan jenis sel bahan bakar yang memiliki peluang aplikasi yang sangat luas. Jenis ini memiliki keunggulan berupa: kerapatan energi yang besar (2,6 3,8 kw/m2), emisi sangat rendah (zero emission), bekerja pada temperatur rendah (± 80 ºC), kemudahan bahan bakar (hanya membutuhkan gas H 2 dan O 2 ), efisiensi tinggi (>45%), dan ringan. Dari beberapa keunggulan ini, maka PEMFC dapat digunakan sebagai sumber energi untuk aplikasi sektor rumah tangga hingga transportasi [3-4]. Komponen-komponen utama dari sistem PEMFC adalah (1) Pelat penyangga yang meliputi pelat bipolar dan pelat ujung (end pelate), (2) Elektroda, dan (3) Membran (elekrolit). Pelat bipolar merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem ini karena beratnya mencapai 60-90% dari berat total stack, dan harganya mencapai 30-60% dari harga total stack [5]. Gambar 1 memberikan contoh distribusi massa pada sebuah stack fuel cell 33 kw. 45

2 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: Gambar 1.. Distribusi massa untuk sebuah stack fuel cell berkapasitas 33 kw [5]. Sebuah pelat bipolar harus memiliki Konduktifitas listrik dan Konduktifitas panas yang baik, kuat mekanik yang cukup, stabilitas kimiawi pada lingkungan PEMFC (asam), tidak tembus gas, dan massa yang ringan [6]. Untuk dapat digunakan secara masal, semua komponen PEMFC harus bisa dibuat dengan biaya yang murah. Target umum biaya PEMFC adalah sekitar 40 $ US/kW dari sekitar $ US/kW pada awal pengembangannya [7-8]. Dalam penelitian ini dibuat pelat bipolar berbahan komposit. Grafit dan carbon black digunakan sebagai pengisi dan penguat (reinforce) dan Epoxy resin sebagai pengikat (binder/matriks). Carbon black umumnya digunakan sebagai penguat komposit dan bisa berfungsi sebagai katalis dalam perbaikan sifat listriknya dalam jumlah tertentu. Penambahan carbon black dilakukan dengan harapan adanya perbaikan sifat-sifat komposit sebelumnya (hasil dari optimasi komposisi). Harga material yang lebih murah juga menjadi alasan ekonomi pemilihan carbon black untuk mengurangi biaya produksi. 2. METODOLOGI PENELITIAN Sampel bipolar plate dibuat dengan komposisi 80 wt% grafit dan 20 wt% epoxy resin, dan selanjutnya selanjutnya dilakukan variasi penambahan carbon black. Penambahan carbon black dilakukan dengan variasi komposisi 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, dan 20 wt% terhadap grafitnya. Pembuatan pelat bipolar dilakukan dengan metoda compression moulding pada tekanan 300 kg/cm 2, dengan temperatur cetakan 70 o C selama 4 jam. Setelah proses pembuatan pelat, dilakukan karakterisasi terhadap sifat fisis dan mekaniknya, terutama densitas dengan menggunakan standar pengujian ASTM D-792, porositas dan serapan air dengan menggunakan ASTM C20-00, kuat lentur dengan menggunakan ASTM D790-00, Konduktifitas listrik dengan veeco FPP5000 (four point probe ), sifat panas dengan DSC, dan analisis morfologi permukaan komposit dengan SEM-EDX JEOL JSM 5310 LV. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pencetakan untuk penambahan carbon black diwakili oleh Gambar 2 yang memperlihatkan pelat bipolar (penambahan 10 wt% carbon black). Sama dengan hasil pada proses sebelumnya, secara umum bentuk pelat bipolar sama, hanya sedikit berbeda ketebalan. Grafit dan carbon black sama-sama berupa serbuk halus dan berwarna hitam sehinga tidak memberikan perbedaan pada komposit yang terbentuk bila dibandingkan dengan komposit pelat bipolar hasil proses optimasi komposisi. Pada permukaan komposit terdapat tekstur guratan yang disebabkan oleh penggunaan cetakan yang tidak halus. Pada sisi-sisi sampel juga terdapat sedikit kelebihan material yang menyelip diantara cetakan. 46

3 Pengaruh Penambahan Carbon Black pada Karakteristik Pelat Bipolar (Andi Suhandi) 3.1. Pengujian Porositas dan Serapan Air Gambar 2. Pelat bipolar hasil penambahan carbon black. Grafik porositas dan serapan air akibat penambahan carbon black diperlihatkan pada Gambar 3. Pada grafik terlihat porositas dan serapan air besarnya menurun hingga komposisi 10 wt% carbon black dan kemudian naik kembali seiring dengan penambahan carbon black. Nilai porositas dan serapan air terendah adalah 0,220 % dan 0,118 % pada 10 wt% penambahan carbon black. Hal ini menunjukan adanya komposisi yang optimum agar penambahan carbon black bisa menurunkan porositas dan serapan air, yaitu 10 wt% carbon black. Penambahan 10 wt% carbon black memungkinkan pengisi (grafit-carbon black) dan matriks komposit untuk saling mengikat dan mengisi dengan rapat sehingga keberadaan pori-pori berkurang. Sedangkan dengan lebih besarnya jumlah carbon black, pori-pori meningkat karena partikel carbon black yang lebih besar ukuranya dari pada grafit menjadi semakin banyak. Ini membuat adanya daerah yang menjadi berpori lebih banyak. Selain itu, carbon black juga bersifat porous (berpori). Persentase (%) Porositas Serapan Air 3.2. Pengujian Densitas Gambar 3. Porositas dan serapan air komposit akibat penambahan carbon black. Gambar 4 memperlihatkan grafik hasil pengujian densitas komposit masing-masing sampel. Pada grafik terlihat kecenderungan peningkatan nilai densitas. Peningkatan nilai densitas komposit seiring dengan penambahan carbon black disebabkan oleh densitas carbon black teknis yang digunakan pada penelitian ini lebih besar dari pada grafit. Bulk density grafit sebesar 0,2-0,3 gr/cm 3 dan carbon black 0,34 gr/cm 3 yang diukur menggunakan piknometer. Dengan makin banyaknya carbon black yang menggantikan posisi grafit, maka komposit semakin berat, atau densitasnya semakin besar. Pada penambahan ini, densitas komposit meningkat dari 1,816 gr/cm 3 pada 0% carbon black menjadi 1,899 gr/cm 3 pada penambahan 20% carbon black. Peningkatan densitas yang tidak terlalu besar, hanya 4,57 %, dipengaruhi juga oleh adanya sedikit peningkatan porositas. 47

4 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: Densitas yang besar membuat komposit menjadi semakin berat. Hal ini dihindari karena akan membuat stack fuel cell juga menjadi berat. Sehingga densitas kecil yang menjadi pilihan untuk membuat komposit pelat bipolar yang baik Densitas (gr/cm^3) Pengujian Konduktifitas Listrik Gambar 4. Densitas komposit pengaruh penambahan carbon black Konduktifitas listrik pada komposit akibat pengaruh penambahan carbon black diperlihatkan pada Gambar 5. Besarnya Konduktifitas listrik pada penambahan carbon black terlihat turun naik dengan kecenderungan semakin turun. Konduktifitas listrik 0,28 S/cm pada 0 wt% carbon black, kemudian berubah turun naik, dan terendah pada 15 wt% carbon black, yaitu 0,18 S/cm. Penyebab penurunan ini adalah carbon black yang digunakan pada penelitian ini memiliki Konduktifitas yang lebih rendah dari pada grafit. Struktur carbon black yang sebagian amorfous menyebabkan kanduktivitas lebih kecil daripada grafit yang kristalin. Konduktifitas juga dipengaruhi oleh porositas, dimana porositas terendah berada pada komposisi 10 wt% grafit seperti telah dibahas pada sub-bab 3.2. Dari penambahan ini, 10 wt% carbon black pada sampel dianggap cukup baik karena Konduktifitasnya sama dengan 0,28 S/cm Konduktivitas (S/cm) Gambar 5. Konduktifitas listrik komposit akibat penambahan carbon black Pengujian Kuat Lentur Gambar 6 memperlihatkan grafik hasil pengujian kuat lentur pada komposit akibat pengaruh penambahan carbon black. Pada grafik terlihat kecenderungan penurunan nilai kuat lentur, dengan kekuatan terendah pada sampel 15 wt% carbon black. Hal ini karena secara umum carbon black memiliki kekuatan yang lebih lemah dari pada grafit. Carbon black memiliki struktur yang sebagian amorfous dari pada grafit yang kristalin. Dari penambahan carbon black ini, spesimen dengan penambahan 10 wt% carbon black memiliki kuat lentur terbesar dibandingkan yang lain, yaitu 15,02 MPa. Jika dilihat pada porositasnya, sampel 10 wt% 48

5 Pengaruh Penambahan Carbon Black pada Karakteristik Pelat Bipolar (Andi Suhandi) carbon black memiliki porositas yang paling rendah, sehingga porositas mempengaruhi kekuatan lentur komposit. Dengan makin berpori, kekuatan lentur akan semakin lemah Kuat Lentur (MPa) Analisa Morfologi Permukaan (SEM) Gambar 6. Kuat lentur komposit akibat penambahan carbon black. Seperti pada bagian optimasi komposisi, pengamatan morfologi permukaan spesimen akibat pengaruh carbon black dilakukan menggunakan SEM. Pengamatan SEM dilakukan hanya pada sampel tanpa carbon black dan sampel dengan penambahan 10 wt% carbon black. Sampel ini dipilih sebagai objek pengamatan karena untuk perbandingan dan memiliki sifat Konduktifitas terbaik serta porositas terendah dibandingkan spesimen lainnya. (a) (b) Gambar 7. Foto SEM patahan sampel bipolar plate (a) tanpa carbon black (b) dengan tambahan carbon black 10wt%, masing-masing dengan 1000X perbesaran Gambar 7 memperlihatkan hasil foto SEM sampel bipolar plate tanpa penambahan carbon black dan dengan penambahan 10 wt% carbon black dengan perbesaran 1000X. Pada gambar terlihat bahwa sampel bipolar plate dengan penambahan 10%wt carbon black memiliki ukuran partikel tersebar beragam dengan dominasi partikel halus berbentuk pecahan berukuran sekitar dari 10 mμ. Partikel ini diikat atau dilapisi oleh epoxy resin dengan lebih banyak dibandingkankan sampel bipolar tanpa carbon black (80 wt% grafit : 20 wt% epoxy resin). Terlihat bahwa struktur keseluruhan permukaan sangat rapat, tidak terlihat adanya pori atau saluran terbuka pada sampel bipolar plate dengan tambahan 10wt% carbon black. Hal ini membuktikan bahwa komposit ini memiliki porositas yang lebih rendah dibandingkan komposit tanpa carbon black. Dari Gambar 7 ini juga tidak terlihat adanya perbedaan antara serbuk grafit dan serbuk carbon black karena kedua bahan ini memiliki bentuk dan warna yang hampir sama. Pada Gambar 7 juga terlihat banyaknya permukaan grafit terutama yang berukuran partikel lebih besar yang permukaanya tidak tertutupi lapisan resin. Hal ini 49

6 TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: ISSN: yang menyebabkan ikatan komposit dengan penambahan carbon black menjadi lebih lemah dari pada komposit tanpa carbon black Pengujian Sifat Panas (DSC) Pengujian DSC dilakukan untuk melihat ketahanan komposit terhadap pengaruh panas pada komposit dengan penambahan carbon black. Pengujian dilakukan menggunakan alat DSC hingga suhu 300 ºC terhadap sampel bipolar plate 10 wt% carbon black karena sifatnya yang lebih unggul dibandingkan dengan komposisi penambahan carbon black lainnya. Gambar 8 memperlihatkan hasil DSC sampel bipolar plate 10 wt% carbon black, terlihat bahwa dari suhu ruang 23 ºC suhu hingga 178 ºC spesimen masih bersifat endotermik dengan grafik menyerap kalor. Selanjutnya spesimen mulai transisi menuju eksotermik dengan melepaskan kalor. Dari proses ini, dapat disimpulkan bahwa hingga suhu 180 ºC spesimen masih berada dalam kondisi keras dan cukup stabil. Suhu transisi (Tg) dari keras menuju lunaknya berada diantara ºC. Dengan hasil ini, komposit bipolar plate 10 wt% carbon black layak digunakan untuk pelat bipolar dengan ketahan terhadap pemanasan hingga sekitar 180 ºC. Gambar 8. DSC sampel bipolar plate 10 wt% penambahan carbon black. 4. KESIMPULAN Penambahan carbon black teknis 10 wt% membuat komposit menjadi semakin padat hingga menurunkan porositasnya, tetapi penambahan carbon black juga menurunkan Konduktifitas listrik dan kekuatan lentur karena carbon black lebih bersifat amorfous dibandingkan grafit yang kristalin. Peningkatkan porositas komposit membuat Konduktifitas listrik dan kekuatan lentur komposit menjadi menurun. DAFTAR PUSTAKA [1] EG & G Services, Fuel Cell Hand Book- Seventh Edition, Parson, Inc.Science Application International Corporation, U.S. Department of Energy, [2] C. Bernay, M. Marchand, M. Cassir, Prospect of different fuel cell technologies for vehicle application, Journal of Power Sources 108, pp , [3] Steven G. Chalk, James F. Miller, Fred W. Wagner, Challenges for fuel cells in transport applications, Journal of Power Sources 86, pp 40-51, [4] Allen Hermann, Tapas Chaudhuri, Priscila Spagnol, Bipolar plates for PEM fuel cells: A review, International Journal of Hydrogen Energy 30, pp , [5] Xiangguo Li, Imran Sabir, Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flowfield designs, International Journal of Hydrogen Energy 30, pp ,2005. [6] Joyce S. Cooper, Design analysis of PEMFC bipolar plates considering stack manufacturing and environment impact, Journal of Power Sources 129, pp , [7] J. Scholta, B. Rohland, V. Trapp, U. Focken, Investigations, on novel lowcost graphite composite bipolar plates, Journal of Power Sources 84, pp , [8] Haruki Tsuchiya, Osamu Kobayashi, Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve, International Journal of Hydrogen Energy 29, pp ,