Tugas Akhir TM 090340 RANCANG BANGUN ALKALINE FUEL CELL (AFC) DENGAN ELEKTRODA STAINLESS STEEL, ALUMUNIUM, BESI, DAN SENG Oleh : AldaBagasSetiawan 2106030007 Dosen Pembimbing: Ir. Denny M.E. Soedjono D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010
1.1Latar Belakang: Kebutuhan manusia akan peralatan penghasil energi yang bebas polusi, mudah diaplikasikan, serta fleksibel, juga dapat digunakan sebagai energi cadangan di luar ketergantungan kita terhadap energi yang selama ini disuplai oleh negara. Pada tahun 1839, William Grove memperkenalkan fuelcell untuk pertama kalinya. Prinsip kerja dari fuel cell adalah kebalikan dari proses elektrolisis. Elektrolisis adalah proses pemisahan H 2 O Menjadi H 2 dan O 2. Sedangkan prinsip kerja Fuel cell adalah menggabungkan H 2 dano 2 untukmembentukh 2 O. Emisi yang dihasilkan oleh Fuel cell jauh lebih kecil daripada emisi mesin berbahan bakar fosil sehingga ramah terhadap lingkungan. Daya yang dihasilkan dari fuel cell bisa mencapai 2 Kw sehingga dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik cadangan yang fleksibel serta aplikatif. Fuelcell juga mempunyai nilai efisiensi yang baik hingga mencapai 70%. Mencari bahan pengganti dari elektroda platina yang saat ini digunakan pada Alkaline Fuel Cell dimana harga platina sangatlah mahal. BAB I
1.2 Perumusan Masalah: Perencanaan dan rancang bangun pembuatan Alkaline Fuel Cell(AFC) sederhana. Tegangan yang dihasilkan masing masing elektroda ( Stainless steel, alumunium, besi, dan seng) Efisiensi tiap elektroda Dampak dari penggunaan masing- masing elektroda Perbandingan besar tegangan dan efiensi yang dihasilkan dari keempat elektroda (stainless steel, alumunium, besi, dan seng) dengan elektroda tembaga yang telah diuji sebelumnya yang menghasilkan listrik maksimum sebesar 0,04Volt dan Efisiensi aktual sebesar 3,1% BAB I
1.3 Tujuan: 1.4 Batasan Masalah: Dapat diketahui bagaimana cara merencanakan dan membuat Alkaline Fuel Cell (AFC) sederhana. Dapat diketahui besar tegangan yang dihasilkan fuelcell dari masing- masing elektroda. (stainless steel, alumunium, besi dan seng) Efisiensi fuelcell dari masing- masing elektroda Dampak dari pemakaian elektroda Dari beberapa parameter di atas, maka dapat diambil kesimpulan bahan mana yang paling baik untuk dijadikan pengganti elektroda platina pada Alkaline Fuel Cell (AFC) Hidrogen dan oksigen bertekanan 1 atm Aliran hidrogen dan oksigen yang masuk steady flow Efisiensi Hidrogen dan oksigen yang dimasukkan murni BAB I
2.1 DefinisiFuel Cell : Fuel cell adalah suatu alat elektrokimia yang mempunyai pinsip kerja yaitu merubah energi kimia dari bahan kimia diubah secara langsung menjadi energi listrik. 2.2 ElemenFuel Cell (AFC) : Elektroda(Platina, Stainless steel, alumunium, besi, seng) Elektrolit(KOH) Bahan bakar(hidrogen) dan pengoksidasinya(oksigen) BAB II
2.3 PrinsipkerjaFuel Cell : A + B C + H A = Bahan bakar C = hasilreaksi B = Pengoksidasi H = Panasreaksi 2.3.1 Urutanprosesreaksi: Anoda : A A +n + ne - Katoda : B + ne - + A + C Reaksitotal : A + B C + Energipanas+ listrik 2.3.2 ReaksiSel: Anoda : H 2 2H + + 2e - Katoda : ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O(gas) Reaksi : H 2 + ½O 2 H 2 O(gas) + panas+ listrik. BAB II
2.4 JenisFuel Cell : Alkaline Fuel Cell (AFC) Direct Methabol Fuel cell (DMFC) Moltene Carbonate Fuel Cell (MCFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cell, juga disebutproton Elektrolitmembrane Fuel Cell (PEMFC) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Zinc Air Fuel Cell (ZAFC) Microbial Fuel Cell (MFC) Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) BAB II
2.5 ProduksiHidrogen: a. Proses Ekstrasksi gas alam b. Elektrolisis Gambar 2.15 proses pembuatan hidrogen dengan ekstraksi gas alam BAB II
Gambar 2.16 proses elektrolisis Proses ini membutuhkan aliran listrik BAB II
3.1 Diagram Alir: Mulai Studi Literatur Perancangan model fuel cell Pemilihan Bahan Perakitan alat Pengujian alat Data percobaan Hasil Tidak Perbaikan Model Selesai Gambar 3.1 Diagram alur metodologi pengujian BAB III
3.2 Persiapansebelumpengujianalat: Membuat wadah elektrolisis dan wadah fuel cell Mempersiapkan elektroda dan dibentuk sesuai dengan dimensi yang telah ditentukan Mempersiapkan larutan KOH dengan konsentrasi 10% dan30% Termometer Voltmeter Sarung tangan BAB III
Tata cara melakukan percobaan adalah sebagai berikut: Pakai sarung tangan lebih dahulu Tuangkan larutan KOH ke dalam wadah fuelcell yang telah dibuat Pasangkan plat elektroda pada tutup wadah fuelcell yang telah dipasangkan Hubungkan charger pada istrik agar proses elektrolisis dimulai Tunggu hingga gas hidrogen terkumpul (dalam percobaan ini, tiap elektroda diberi waktu 5 menit sebelum diukur) Ukur besar tegangan dan temperatur yang dihasilkan Percobaan ini dilakukan bergantian untuk tiap elektroda Setelah empat elektroda diuji dan didapatkan datanya, maka dilakukan penggantian larutan dengan konsentrasi yang berbeda ( setelah 10% kemudian diganti dengan 30%) dan dilakukan kembali pengujian seperti urutan di atas. BAB III
Data yang diperoleh dari percobaan menggunakan larutan dengan konsentrasi 10 % : Material Elektroda Tegangan yang dhasilkan (Volt) Temperatur yang dihasilkan ( O C) Keterangan Stainless Steel 7,2 42 Tidak bereaksi Alumunium 2,85 43 Bereaksi (sebagian material elektroda ikut terlarut dalam KOH) Besi 5,4 44 Bereaksi Seng 2,6 40 Bereaksi
Data yang diperoleh dari percobaan menggunakan larutan dengan konsentrasi 30% : Material Elektroda Tegangan yang dhasilkan ( Volt) Temperatur yang dihasilkan ( O C) Keterangan Stainless Steel 7,5 45 Tidak bereaksi Alumunium 4,2 65 Bereaksi (sebagian material elektroda ikut terlrut dalam KOH) Terdapat endapan logam berwarna hitam dan merubah warna larutan KOH Terjadi kenaikan temperatur yang tinggi akibat alumunium bereaksi dengan larutan KOH Besi 5,8 46 Bereaksi ( terjadi perubahan warna pada plat besi akibat sebagian material terlarut dalam KOH) Seng 4,1 43 Bereaksi ( Terdapat endapan logam pada larutan) Merubah warna menjadi sedikit keruh
1.Plat alumunium Keterangan : Pada saat alumunium dicelupkan ke dalam larutan KOH, terjadi reaksi dengan ditandai dengan terjadinya gelembung- gelembung kecil. Muncul endapan berwarna hitam pada larutan KOH Pada saat penambahan konsentrasi (dari 10% menjadi 30%) terjadi kenaikan temperature yang cukup signifikan yaitu 43 o C naik menjadi 65 o C. Plat berubah warna menjadi kehitaman seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas
2.Plat seng : Keterangan : Terjadi perubahan warna pada larutan KOH menjadi keruh namun tidak sepekat yang terjadi pada plat alumunium Muncul endapan berwarna hitam seperti yang terjadi alumunium namun tidak sebanyak yang terjadi pada plat alumunium Terjadi perubahan warna pada plat menjadi hitam seperti yang ditunjukkan gambar di atas
3.Plat besi : Keterangan : Warna pada plat besi berubah menjadi lebih bersih dan mengkilap Korosi yang menempel pada besi menjadi hilang.
4. Plat stainless steel: Keterangan: Tidak terjadi perubahan warna pada plat stainless steel
70 Grafik konsentrasi larutan terhadap temperatur 65 60 Tem mperatur ( O C) 50 40 30 42 45 51 44 46 40 43 20 10 0 Stainless steel Alumunium Besi Seng Larutan 10% Larutan 30%
8 7 7.2 7.5 Grafik konsentrasi larutan terhadap tegangan yang dihasilkan 6 5.4 5.8 5 Te egangan (Volt) 4 3 2.85 4.2 2.6 3.9 2 1 0 Stainless steel Alumunium Besi Seng Larutan 10% Larutan 30%
Grafik konsentrasi larutan terhadap efisiensi yang dihasilkan 80 72 75 70 60 50 54 58 ηa act (%) 40 42 38 30 28 26 20 10 0 Stainless steel Alumunium Besi Seng Larutan 10% Larutan 30%
Kesimpulan: Nilai efisiensi sel berbanding lurus dengan tegangan listrik yang dihasilkan, makin besar tegangan listrik yang dihasilkan, makin besar pula nilai efisiensi yang dimiliki fuelcell. Dari keempat elektroda yang diuji, stainless steel menghasilkan tegangan listrik yang paling tinggi ( 7,5Volt) dan mempunyai efisiensi yang paling tinggi (ηact= 75). Selain itu, stainless steel juga tidak mengalami kerusakan seperti yang terjadi pada ketiga elektroda lainnya. Stainless steel dapat dijadikan elektroda pengganti elektroda platina. BAB V
Terima Kasih Wassalaamuallaikum Warohmatullohi Wabarrakatuh
PembuatanLarutanKOH konsentrasi10% dan30%: Konsentrasi Larutan = volume KOH volume total Kita ambil contoh perhitungan pada larutan dengan konsentrasi 10%, cara pembuaannya adalah sebagai berikut: Konsentrasi= 10% = 0,1 Volume total = 1,2 liter (1,2 dm 3 ) Maka, Volume KOH = 0,1 x 1,2 dm 3 = 0,12 dm 3 Diasumsikanbahwa1 liter air = 1 kg, makavolume KOH = 120 gram KOH yang tersedia di pasaran biasanya berbentu kristal, sehingga untukmembuatvolume KOH sebesar0,12 dm 3 makaperlukitaketahui massa jenis dari KOH, massa jenis tersebut dapat kita ketahui dari table 3.1 2,044 gram /cm 3 = massakoh / 120 cm 3 Massa KOH = 245,28 gram
Gambar 3.2 Wadah fuelcell untuk pengujian elektroda Gambar 3.3 Wadah tempat elektrolisis Gambar 3.4 Charger sumber arus listrik BAB III
Pada perhitungan ini, data yang kita ambil adalah data dari elektroda besi. Karena elektroda besi menghasilkan listrik yang besar, juga karena suhu yang dihasilkan tidak begitu tinggi. Diketahui : T = 46 o C + 273 = 319K V = 5,8 Volt Asumsi : Hidrogen bertekanan 1atm Oksigen bertekanan 1,1 atm Produk uap bertekanan 1 atm Dari tabel 3.1 didapatkan data : Pada tekanan 1 atm dan temperatur 25 o C (pada kondisi standard): G(uap)= 298,13 H(uap) = 241,83 H(air) = 285,83 Dengan menggunakan data di atas, kemudian dilakukan interpolasi dari tabel 3.1 (Lampiran) maka didapatkan data sebagai berikut: Data uap air: G f (H 2 O) = 302,09 H f (H 2 O) =241,124 S f (H 2 O)= 191,1015 Data Hidrogen: H f (H 2 ) =0,601 S f (H 2 )= 132,627 Data Oksigen: H f (O 2 )= 0,595 S f (O 2 )= 207,036
Dengan mengguakan rumus reaksi sebagai berikut: Anoda ; 2H 2 + 4OH - 4H 2 O + 4e - Katoda : 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - Reaksisel : H 2 + O 2 H 2 O (gas) + panas+ listrik G = H -T S H = H f (H 2 O (gas) ) (H f (H 2 ) + (0,5)H f (O 2 )) = 241,124 -(0,601 ) + (0,5) 0,595 ) = 241,124-0,8985 = 240,2255 S = S f (H 2 O (gas) ) (S f (H 2 ) + (0,5)S f (O 2 )) = 191,1015 (132,627 + (0,5)207,036 ) = 191,1015-238,145 = -47,0435
T S = 319K x 47,0435 = -15.006,8765 G = 240,2255 +15.006,8765 = 255,23238 G = nfye o g E o G = = =1,323Volt = 1,323Volt +.ln = 1,323Volt 0,5496Volt = 0,7735Volt
EfisiensiMaksimum: η= η max = Sedangkan G = H -T S Maka, η max = 1- η max = 1 = 1 0,0624 = 0,937 = 93,7%
Efisiensi Aktual: η act = η act = = = 0,582 = 58,2%
Gambar 3.5 Dimensi plat elektroda
Gambar 3.6 Cara pengujian elektroda
Alkaline Fuel Cell (AFC) menggunakan alkaline potassium hydroxide (KOH) sebagai elektrolit, peralatan ini dapat menghasilkan efisiensi sampai 70%. Alkaline Fuel Cell mempunyai biaya yang relatif mahal, sehingga tidak dipakai untuk keperluan komersial. Dalam sel ini ion hidroksil (OH - ) berpindah tempat dari anoda ke katoda. Pada anoda gas hidrogen bereaksi dengan ion OH - untuk menghasilkan proton dan melepaskan elektron. Elektron yang dihasilkan pada anoda menyuplai energi listrik ke sebuah sirkuit eksternal kemudian kembali ke katoda. Pada katoda, elektron bereaksi dengan oksigen dan air untuk menghasilkan lebih banyak ion OH - yang menyebar ke dalam elektrolit.