PEMBUATAN DIRECT METHANOL FUEL CELL SEBAGAI SUMBER ENERGI PENGGERAK CHEM E-CAR Rita Yulianda 1, Widodo Wahyu Purwanto 1, dan Bono Pranoto 2 1 Departemen Teknik Kimia FakultasTeknik,Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2 Pusat Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan dan Energi Baru Terbarukan, LEMIGAS, Jakarta Selatan, Indonesia e-mail: rita.yulianda@gmail.com Abstrak Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) dapat menjadi solusi penyedia energi massa depan karena bahan bakarnya yang cair, temperatur operasi yang rendah dan densitas energi yang tinggi. DMFC dapat diaplikasikan pada perangkat portable salah satunya Chem E-Car.Chem E-Car merupakan prototype model mobil menggunakan tenaga penggerak dari energi kimia. Pada penelitian ini dilakukan desain, fabrikasi, dan uji kinerja DMFC yang akan digunakan sebagai sumber energi penggerak Chem E-Car.Membran Electrode Assembly (MEA) difabrikasi menggunakan katalis komersial Pt (katoda) PtRu (anoda) dengan metode brush coating pada kertas karbon. Bipolar plate didesain dan difabrikasi dari plat grafit dengan flowfield jenis serpentin. DMFC hasil fabrikasi terdiri dari tiga unit sel yang disusun seri memiliki massa 1020 gram, berdimensi 10 cm x 10 cm x 4 cm dan luas aktif total 108 cm 2. Hasil uji kinerja sel tunggal DMFC menunjukkan Open Circuit Voltage (OCV) 504 mv, densitas daya maksimum 3,7 mw/cm 2 pada voltase 212 mv dan densitas arus 17,8 ma/cm 2 dalam kondisi operasi suhu ruang, metanol 2 M 0,04 ml/detik (pasif) dan oksigen 10 psig. Kinerja DMFC harus ditingkatkan untuk dapat diaplikasikan pada Chem E-Car. kata kunci: DMFC, Chem E-Car, MEA, brush coating, bipolar plate ng) Abstract Fabrication And Performance Test of Direct Methanol Fuel Cell as Chem E- Car Driving Energy Source.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) can be the solution for energy in the future, because of its fuel in liquid form, low operating temperature and high energy density. DMFC can be applied in portable devices like Chem-E car. Chem E-Car is a prototype model of a car that uses propulsion of chemical energy. The objective of this research is to design, fabricate, and apply performance testing of DMFC, which will be used as Chem-E Car driving energy source. Membrane Electrode Assembly (MEA) is fabricated using a commercial Pt catalyst (cathode) - PtRu (anode) with brush coating method on carbon paper. Bipolar plate is designed and fabricated from graphite plate with serpentine flowfield types. Result of DMFC fabrication consists of three cell units in a series with 1020 grams mass, 10 cm x 10 cm x 4 cm dimension, and 108 cm 2 total active area. The single cell performance of DMFC test demonstrated Open Circuit Voltage (OCV) 504 mv, the maximum power density 3.7 mw/cm 2 at voltage 212 mv and current density 17.8 ma/cm 2 in operating conditions at room temperature, 2 M methanol 0.04 ml / sec (passive) and oxygen 10 psig. Performance of DMFC must be improved for Chem E-Caraplication. keywords:dmfc, Chem E-Car, MEA, brush coating, bipolar plate 1. Pendahuluan Chem E-Car merupakamprototype mobil yang menggunakan tenaga penggerak dari energi kimia.prototypechem E-Car inimenjadi kompetisi internasional yang melombakan aplikasi ilmu teknik kimia dalam mendesain sumber energi pada sebuah model mobil. Salah satu sumber energi penggerak Chem E-Car yang dapat digunakan yaitu fuel cell. ng) Fuel celladalah alat untuk mengkonversi energi kimia pada bahan bakar secara langsung menjadi energi listrik dan energi panas melalui reaksi kimia [1].Fuel cell merupakan teknologi yang banyak menarik perhatian, terutama di bidang otomotif dan pembangkit listrik karena jarak tempuh dan waktu pengisian yang hampir sebanding dengan kendaraan berbahan bakar minyak [2].
Fuel cell yang paling banyak digunakan saat ini yaitu fuel cell berbahan bakar hidrogen.fuel cell jenis ini memiliki performa yang baik namun memiliki masalah tersendiri karena penyimpanan gas hidrogen pada sistem yang mengaplikasikan fuel cell. Gas hidrogen memiliki densitas energi yang sangat kecil namun jika menggunakanhidrogen cair diperlukansuhu sangat rendah yang sulit untuk dilakukan [3]. Dalam bidang otomotif dan portable device, fuel cell berbahan bakar cair akan lebih mudah diaplikasikan daripada hidrogen berfasa gas. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) merupakan salah satu jenis fuel cell yang bahan bakarnya berfasa liquid.dmfc termasuk salah satu DAFC (Direct Alkohol Fuel Cell) yang tidak membutuhkan reformer untuk menghasilkan bahan bakar H 2 dari alkoholnya tetapi langsung mengumpankan alkohol ke dalam sel bahan bakar [4-5].Kelebihan metanol dibandingkan alkohol jenis lainnya yaitu memiliki suhu operasi yang rendah jika diaplikasikan pada fuel cell yaitu sekitar 60 o C [4-5].Selain itu DMFC melepaskan lebih sedikit karbon dioksida. Pada penelitian ini dilakukan fabrikasi DMFC yang dapat diaplikasikan sebagai sumber energi penggerak Chem- E-Car. Uji Kinerja dari DMFC dilakukan untuk mengetahui kinerja DMFC fabrikasi. 2. MetodePenelitian (a) (d) Gambar 1. Desain Bipolar Plate (a) Anoda Tampak Depan (b) Katoda Tampak Depan (c) Dimensi Tampak Depan (d) Dimensi Tampak Samping (b) (e) 2.1 Desain DMFC Desain DMFC dilakukan dengan menghitung kebutuhan energi Chem E-Car lalu menghitung kebutuhan luas MEA dan jumlah cellstack yang diperlukan.untuk menggerakkan Chem E-Cardidesain DMFC yang difabrikasi memiliki luas area aktif 36 cm 2 dan terdiri atas 8 buah sel. Desain cellstack Bipolar Plate dapat dilihat pada Gambar 1, End Plate pada Gambar 2, Current Collector Plate pada Gambar 3, Seal Isolator pada Gambar 4, Seal MEA pada Gambar 5. Gambar 2. Desain End Plate
Gambar 3. Desain Current Collector Plate Gambar 4. Desain Seal Isolator temperatur ruang.0,52 ml Larutan Nafion 5% wt ditambahkankemudiakan diaduk menggunakan ultrasonicator selama 1 jam c. Coating Kertas Carbon Katoda Kertas karbon dengan luas aktive area 6 cm x 6 cm dicoating dengan menguaskan tinta katalis katoda dan meratakannya dengan doctor blade.kertas karbon dikeringkan pada suhu 100 o C selama 5 menit. d. Pembuatan Tinta Katalis Anoda 198 mg katalis PtRu/C vulcan 60% wt dicampurkan dengan 2 ml DI. Pengadukan dilakukan menggunakan ultrasonicator selama 15 menit pada temperatur ruang. 0,85 ml Larutan Nafion 5% wt ditambahkan kemudiakan diaduk menggunakan ultrasonicator selama 1 jam. e. Coating Kertas Carbon Anoda Kertas karbon dengan luas aktive area 6 cm x 6 cm dicoating dengan menguaskan tinta katalis anoda dan meratakannya dengan doctor blade. Kertas karbon dikeringkan pada suhu 100 o C selama 5 menit f. Hotpressing MEA Pelat hot press diatur pada suhu 140 o C dan membran, anoda dan katoda yang telah disusun diletakkan di antara pelat dan dihotpress pada suhu 140 o C dan tekanan 7 bar selama 5 menit. MEA dikeluarkan ketika suhu turun sampai 40 o C 2.3 Set-up DMFC Seluruh komponen disusun menjadi DMFC. DMFC diuji kebocorannyadengan mengalirkan udara bertekanan ke setiap celah sambungan pelat bipolar yang telah dioleskan cairan sabun. Gelembung sabun yang terjadi menandakan kebocoran pada sistem. 2.4 Uji Kinerja Sel Tunggal 2.2 Fabrikasi MEA [6-7] a. Treatment Proton Exchange Membran Membran Nafion ukuran 10 cm x 10 cm direndam dalam H 2O 2 3%, lalu dalam Deionized Water (DI) kemudian dalam H 2SO 4 1 M. Masing-masing dilakukan pada suhu 80 o C selama 1 jam. Membran dibilas DI dan mengeringkan di tempat yang terlindung dari debu dan matahari. b. Pembuatan Tinta Katalis Katoda 120 mg katalis Pt/C vulcan 60% wt dicampurkan dengan 1,2 ml DI. Pengadukan dilakukan menggunakan ultrasonicator selama 15 menit pada Sistem DMFC disambungkan dengan DC elektron load dan memasukkan reaktan. Data diambil ketika pembacaan voltase stabil. DMFC diuji dengan menambah beban sehingga terbaca voltase dan arus DMFC. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Fabrikasi Cellstack Hasil fabrikasi cellstack dapat dilihat pada Gambar 6.
(a) (d) Gambar 6. Bipolar Plate (a) Endplate (b) Current Collector (c) Seal MEA (d) Seal Isolator 3.2 Hasil Fabrikasi MEA (b) MEA yang difabrikasi memiliki ketebalan sekitar 1 mm. Kualitas fabrikasi MEA yang baik ditandai dengan menempelnya seluruh sisi elektroda pada membran Nafion. Setelah proses hotpressing dilakukan, GDL- Membran-GDL menempel sempurna membentuk MEA. Hal ini mengindikasikan bahwa kandungan Nafion 20% pada larutan tinta berfungsi dengan baik membentuk crosslink dengan membran Nafion saat proses hotpressing. Kondisi yang menyebabkan terbentuknya jaringan ikat (crosslink) yaitu suhu penekanan MEA 135-150 o C.Suhu sekitar 135-150 o C merupakan suhu transition glass dari Nafion [8].Gambar MEA yang telah berhasil difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 7. (c) 3.3 Hasil Setup DMFC Gambar 7 Hasil FabrikasiMEA (d) DMFC Fabrikasi terdiriatas 3 sel yang disusun seri dan memiliki dimensi 10 cm x 10 cm x 4 cm. Fuel cell ini memiliki massa 1020 gram dengan total Open Current Circuit sebesar 1073 mv. Hasil DMFC Fabrikasi dapat dilihat pada Gambar 8
Gambar 8. Hasil Fabrikasi Direct Methanol Fuel Cell 3.4 Hasil Uji Kinerja DMFC Hasil pengujian sel tunggal DMFC fabrikasi dibandingkan DMFC komersial 0,06 ml/detik dapat dilihat pada Gambar 9 dan Gambar 10 Voltase (mv) Gambar 9 Densitas Daya (mw/cm 2 ) 600 500 400 300 200 100 0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0-1,0 Gambar 10 Fabrikasi 0 10 20 30 40 Densitas Arus (ma/cm 2 ) Kurva Polarisasi V-I DMFC Fabrikasi dan 0 10 20 30 40 Densitas Arus (ma/cm 2 ) Fabrikasi Kurva Polarisasi P-I DMFC Fabrikasi dan Berdasarkan Gambar 9 Open Circuit Voltage untuk DMFC fabrikasi yaitu sebesar 504 mv, sedangkan untuk DMFC komersial 486 mv. Pada Gambar 10 densitas energi DMFC fabrikasi yaitu 3,77 mw/cm 2 atau 136 mw. Nilai ini pada saat voltase sebesar 212 mv dan arus sebesar 17,8 ma/cm 2. DMFC komersial memiliki densitas energi sebesar 3,1 mw/cm 2 atau 15,5 mw dengan nilai ini pada saat voltase sebesar 194 mv dan arus sebesar 15,9 ma/cm 2. Berdasarkan hasil pengujian DMFC fabrikasi dan DMFC komersial ini dapat dikatakan fabrikasi DMFC ini berhasil mendapatkan densitas daya yang lebih baik namun densitas arus yang dapat terukur masih kecil.pada DMFC fabrikasi saat densitas arus 20 ma/cm 2 nilai voltase sudah sangat kecil, sedangkan DMFC komersial densitas arus dapat mencapai 30 ma/cm 2. Penurunan tegangan yang cepat pada DMFC ini dapat disebabkan oleh kinerja polarisasi pada MEA, kebocoran elektron pada sambungan konduktor cellstack serta transfer massa 3.5 Aplikasi DMFC pada Chem E-Car Aplikasi DMFC untuk Chem E-Car belum dapat dilaksanakan karena kinerja DMFC yang masih rendah dari yang diharapkan. Densitas daya yang diharapkan adalah 20 mw/cm 2 pada desain awal. Untuk hasil kinerja DMFC saat ini, untuk menggerakkan mobil dengan massa mobil tidak boleh lebih dari estimasi awal yaitu 1,5 kg. Luas area aktif total (na) untuk pemenuhan kebutuhan daya adalah 319 cm 2. Luas area aktif satu sel (A) untuk pemenuhan kebutuhan arus dengan asumsi Chem E-car menggunakan motor listrik dengan kebutuhan arus 1200 ma adalah 68 cm 2.Jumlah sel (n) yang disusun seri untuk pemenuhan kebutuhan voltase dengan asumsi Chem E-car menggunakan motor listrik dengan kebutuhan voltase 1,5 volt adalah 8 sel. Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan bahwa 8 sel DMFC yang disusun secara seri dengan luas area aktif setiap selnya 68 cm 2. Desain DMFC fabrikasi ini memiliki luas area aktif 36 cm 2 sehingga perlu 16 sel dengan 8 sel pertama harus disusun secara paralel dengan 8 sel kedua. Sistem dengan 16 sel tidak mungkin dilakukan karena keterbatasan massa pada Chem E-Car. Chem E-Car dengan DMFC 16 sel ini memiliki massa sekitar 2880 gram, melebihi batasan yang diperbolehkan. Penambahan jumlah sel tidak hanya menambah daya yang dihasilkan DMFC, namun akan menambah massa dan menambah daya yang dibutuhkan untuk mobil bergerak. Profil pertambahan sel terhadap besarnya daya yang dihasilkan DMFC dan daya yang dibutuhkan mobil untuk bergerak dapat dilihat pada Gambar 11.
Daya (mw) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Gambar 11 dibutuhkan Chem E-Car dihasilkan oleh DMFC 0 10 20 30 Jumlah sel Profil Pertambahan Jumlah Sel terhadap Daya yang dibutuhkan Chem E-Car dan Daya yang dihasilkan DMFC Pada Gambar 15 terlihat bahwa dengan memperhitungkan massa yang disebabkan pertambahan sel, jumlah sel yang harus digunakan adalah 19 sel dengan massa 3240 gram. Massa sebesar ini juga melebihi batasan yang diperbolehkan. Peningkatan kerja DMFC terutama rendahnya densitas arus harus menjadi fokus utama kedepannya. Perbaikan dapat dilakukan pada kualitas MEA, perbaikan aliran metanol dan management gas CO 2, serta sistem sambungan pada cellstack. DaftarAcuan [1] S.O.B. Shresta, S. Mohan,Proceedings of the World Congress on Engineering Vol III WCE, London, pp 2-3, 2011. [2] J. Larmine, A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, second ed., Wiley, Chichester, West Sussex, 2003. [3] L. Utari, Fabrikasi Chemical Energy Car dengan Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) dengan Bahan Bakar Hidrogen dari Reaksi Hidrolisis Sodium Borohidra, Depok, 2006. [4] C. Lamy, A. Lima, V. Lerhun, F. Delime, C. Coetanceu, J.M. Leger, Journal of Power Sources 105, pp 283-296, 2002. [5] D.M. Bernardi, M.W. Verbrugge, Journal Electrochem Soc. Vol 139, issue 9, pp 2477-2491, 1992. [6] A.L. Tse, Membrane Electrode Assembly (MEA) Design For Power Density Enhancement of Direct Methanol Fuel Cell,Georgia. [7] F. Drillet, N. Bogolowski, Membrane Electrode Assembly Fabrication and Characterization for Portable DMFC Aplication, Frankfurt, pp 1-3, 2009. [8] A. Lindermer. Journal of Power Sources 129, pp 180-187, 2004.. 4. Kesimpulan Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) fabrikasi belum dapat digunakan sebagai sumber energi penggerak Chem E-Car.Hasil uji kinerja sel tunggal DMFCfabrikasi menghasilkan densitas energi 3,77 mw/cm 2 atau total 136 mw pada saat voltase sebesar 212 mv dan arus sebesar 17,8 ma/cm 2. DMFC komersial memiliki densitas energi sebesar 3,1 mw/cm 2 atau 15,5 mw pada saat voltase sebesar 194 mv dan arus sebesar 15,9 ma/cm 2. Aliran metanol dan terperangkapnya gas CO 2 pada flowfield bagian anoda berpengaruh besar menurunkan voltase pada DMFC.Kinerja MEA dengan metode pelapisan brush coatingtidak dapat memberikan hasil maksimal.untuk kinerja DMFC fabrikasi saat ini dibutuhkan 16 sel untuk menggerakkan Chem E-Car. Kualitas MEA dengan metode pelapisan brush coating tidak dapat memberikan hasil maksimal untuk memperbesar permukaan katalis.untuk permasalahan aliran metanol pasif dan gas CO 2 memerlukan desain khusus pada flowfield. Konduktivitas bahan penghantar elektron dan sistem isolasi pada cellstack perlu diperbaiki lagi agar transfer elektron dapat maksimal.