MODUL 7 FUEL CELL DAN SEL SURYA Muhammad Ilham, Moch. Arif Nurdin,Septia Eka Marsha Putra, Hanani, Robbi Hidayat. 10211078, 10211003, 10211022, 10211051, 10211063. Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail: muhammad_ilham@students.itb.ac.id Asisten: (Heldi Alfiadi/10210004) Tanggal Praktikum: (28-11-2013) Abstrak Persediaan energi di dunia semakin menipis dan suatu saat nanti pasti akan mengalami kelangkaan sumber energi.dengan banyaknya pengguna sumber energi yang berasal dari minyak bumi yang tidak sebanding dengan pertambahan jumlah bahan baku sumber energi inilah yang mendorong para pemikir teknologi untuk mencari sumber energi baru sebagai pengganti sumber energi yang sudah ada. Fuel cell dan sel surya merupakan salah satu energi alternatif, fuel cell yang sumber energinya berasal dari hasil energi elektrokimia pada proseselektrolisis air dan sel surya yang berasal dari sinar matahari. Tujuan praktikum kali ini adalah untuk menentukan jumlah gas yang terbentuk serta menentukanefisiensi fuel cell. Metoda percobaan kali ini adalah praktikan mengamati dan melakukan percobaan secara langsung, hasil praktikum kali ini didapatkan perubahan volume kedua gas ketika terbentuk dan terpakai serta nilai efisiensinya. Kata Kunci : Fuel cell, Sel surya, Energi, Efisiensi I. Pendahuluan 1.1 Tujuan platina sangat tipis yang melapisi kertas karbon. Tujuan dari praktikum ini ialah menentukan jumlah gas yang terbentuk saat percobaan fuel cell sebagai fungsi waktu dan menentukan efisiensi fuel cell tersebut. 1.2 Teori Dasar Anoda, kaki negatif dari fuel cell mengalirkan elektron yang dilepas hidrogen sehingga mengalir ke rangkaian luar. Anoda memiliki channel-channel sehingga dapat menyebarkan hidrogen merata pada permukaan katalis. Katoda, kaki positif dari fuel cell, juga memiliki channel-channel yang meratakan oksigen pada permukaan katalis. Katoda juga mengalirkan elektron kembali dari rangkaian luar ke katalis di mana elektron-elektron itu dapat berekombinasi dengan ion hidrogen dan oksigen dari air. Elektrolit adalah membran pertukaran proton. Katalis adalah material khusus yang memfasilitasi reaksi hidrogen dan oksigen yang terbuat dari nano partikel Gambar 1. Mekanisme Fuel Cell Dengan reaksi pada masing-masing elektroda Anoda : 2H 2 4H + + 4H - Katoda : O 2 + 4H + + 4H - 2H 2 O Reaksi total : 2H 2 + O 2 2H 2 O 1
Sel surya adalah teknologi semikondukto rdengan jenis P-N Juction Photodiodes dengan permukaanyang sensitive terhadap cahaya. Efekyang ditimbulkan oleh fotovoltaik inilah yang secara langsung mengubah cahaya menjadi energi listrik. Gambar 2. Mekanisme Sel surya Prinsip cara kerja sel surya adalah cahaya datang dengan panjang gelombang tertentu akan mengenai bahan semikonduktor dan menimbulkan pair generation (electron-hole production). Elektron yang tadinya berada pada pita valensi akan tereksitasi menuju pita konduksi sehingga timbul aliran listrik. Bagian yang ditinggalkan elektron tadi disebut hole. Elektron akan menyebar di bagian dan hole akan menyebar di bagian p. Kedua jenis muatan ini tidak dapat secara langsung berkombinasi karen aterdapat bandgap energi di antara pita konduksi dan valensi. detik sambil mengamati perubahan arus dan tegangan tiap 4 detik serta catat pula perubahan volume yang terjadi pada kedua silinder. Setelah 12 detik matikan baterai, ukur pergeseran volume H 2 dan O 2, lepas jack baterai lalu hubungkan kabel motor penggerak dengan fuel cell. Catat waktu yang dibutuhkan dari motor menyala sampai mati, ukur arus dan tegangan serta pergeseran volume H 2 dan O 2. Ulangi percobaan dengan lama baterai menyala 12, 24, 36, 48, dan 60 detik. pada percobaan kedua mobil akan dicharge oleh sel surya. Hubungkan sel surya yang dipapari cahaya lampu dengan mobil, amati selama 15 menit ukur pergeseran volume H 2 dan O 2, ukur juga arus dan tegangan setiap 1 menit. Setelah 15 menit cabut sel surya dari fuel cell. Hubungkan kabel motor penggerak dengan fuel cell Catat waktu yang dibutuhkan dari motor menyala sampai mati, ukur arus dan tegangan serta pergeseran volume H 2 dan O 2.Ulangi percobaan denganmenggunakan sumber cahaya matahari langsung. III. Data dan Pengolahan Percobaan fuel cell a. energi input baterai II. Metode Percobaan Pertama-tama susun kit mobil fuel cell sesuai step yang tertera pada modul, lalu nyalakan baterai dan hubungkan jack ke resistor. Ukur tegangan dan arus yang melewati rangkaian. Catat nilai arus dan tegangannya. Hubungkan baterai ke mobil, sebelum dinyalakan catat volume H 2 dan O 2. Nyalakan Baterai selama 12 2
Gambar 3. Grafik data pengeluaran saat motor bergerak dengan pengisian 12,24,36,48,60 detik Gambar 4. Grafik data pengisian fuel cell 12,24,36,48,60 detik Data, Arus, dan Energi dapat dilihat dilampiran di halaman paling belakang b. Data elektrolisis dan konversi elektrokimia pengisian fuel cell (s) Vol. Gas H2 terbentuk Vol. Gas O2 terbentuk 3 motor bergerak (s) Vol. Gas H2 sisa Vol. Gas O2 sisa 1 12 0,50 0,25 2 0,20 0,10 2 24 0,75 0,40 4 0,15 0,10 3 36 1,00 0,50 5 0,20 0,10 4 48 1,25 0,60 6 0,25 0,10 5 60 1,40 0,70 7 0,20 0,10 Tabel 1. Data volume gas H 2 dan O 2 yang terbentuk c. Energi gas terbentuk pengisian fuel cell (s) Vol. Gas H2 terbentuk Vol. Gas O2 terbentuk n H (mol) n O (mol) n H2O (mol) Eb (J) 1 12 0,50 0,25 2,23E-05 1,12E-05 2,23E-05-5,38 2 24 0,75 0,40 3,35E-05 1,79E-05 3,35E-05-7,52 3 36 1,00 0,50 4,46E-05 2,23E-05 4,46E-05-10,76 4 48 1,25 0,60 5,58E-05 2,68E-05 5,58E-05-14,00 5 60 1,40 0,70 6,25E-05 3,13E-05 6,25E-05-15,06 Tabel 2. Data mol H 2 dan O 2 serta energi yang yang dikeluarkan
d. Energi gas yang terpakai pengisian fuel cell (s) Vol. Gas H2 terpakai Vol. Gas O2 terpakai n H (mol) n O (mol) n H2O (mol) Ep (J) 1 12 0,30 0,15 1,34E-05 6,70E-06 1,34E-05-3,23 2 24 0,60 0,30 2,68E-05 1,34E-05 2,68E-05-6,46 3 36 0,80 0,40 3,57E-05 1,79E-05 3,57E-05-8,61 4 48 1,00 0,50 4,46E-05 2,23E-05 4,46E-05-10,76 5 60 1,20 0,60 5,36E-05 2,68E-05 5,36E-05-12,91 Tabel 3. Data mol H 2 dan O 2 serta energi yang yang dikeluarkan e. Energi yang dipakai motor pengisian fuel cell (s) motor bergerak (s) Fuel Cell (V) Arus (A) Eo (J) 1 12 2 1,10 0,11 0,24 2 24 4 1,40 0,18 1,01 3 36 5 1,80 0,14 1,26 4 48 6 1,70 0,14 1,43 5 60 7 2,00 0,20 2,80 Tabel 3. Data mol H 2 dan O 2 serta energi yang yang dikeluarkan Data dan Arus saat Motor Dinyalakan dapat dilihat dilampiran di halaman paling belakang. f. Efisiensi Ei (J) Eb (J) Ep (J) Eo (J) η1(%) η2 (%) η3 (%) 1 12,610 5,38 3,23 0,24 42,66 60,00 7,50 2 21,650 7,52 6,46 1,01 34,72 85,87 15,61 3 33,178 10,76 8,61 1,26 32,43 80,00 14,64 4 39,811 14,00 10,76 1,43 35,17 76,85 13,27 5 48,552 15,06 12,91 2,80 31,02 85,71 21,69 Tabel 4. Data efisiensi tiap reaksi percobaan 4
g. grafik volume gas H 2 dan O 2 terhadap waktu gambar 5. Grafik volume gas H 2 dan O 2 terhadap waktu Percobaan sel surya gambar 6. Grafik pengisian fuel cell gambar 7. Grafik penguluaran fuel cell dengan pengisian oleh sel surya yang dipapari sinar lampu dan sinar matahari gambar 8. Grafik perbandingan daya sel surya terhadap waktu IV. Pembahasan Seperti terlihat pada grafik, volume gas H 2 yang terbentuk mempunyai grafik dengan kenaikan yang lebih terjal dari gas O 2 namun terdapat sedikit penurunan didetik 45 detik, begitupun grafik gas O 2 pada detik 25, yang artinya volume gas H 2 lebih banyak terbentuk daripada gas O 2, dikarenakan pada anoda air akan membentuk lebih banyak gas H 2 untuk memberikan elektronnya dan terbentuknya H + yang semakin lama semakin sedikit sehingga pembentukan gas H 2 semakin berkurang, begitupun untuk gas O 2. Dalam prosesnya, fuel cell harus dibuat lembab, hal ini dilakukan agar transfer proton dapat terjadi, karena H+ tidak dapat berpindah dari anoda ke katoda jika keadaan kering. Perbandingan gas H 2 dan O 2 yang terbentuk tidak selalu 2:1, karena untuk elektrolisis dengan waktu yang lebih singkat, perbandingan H 2 lebih besar daripada O 2 artinya untuk waktu awal H 2 yang terbentuk lebih banyak daripada O 2 karena reaksi terbentuknya H 2 lebih cepat daripada O 2. Sisa gas yang tidak terpakai saat motor dinyalakan memperlihatkan energi potensial dari sisa gas tersebut tidak cukup untuk menyalakan motor, sehingga tidak terjadi reaksi pelepasan elektron untuk menggerakan motor. Proses elektrolisis H 2 O terjadi saat air diberi aliran elektron, yang membuat bagian H + dari air bereaksi dengan elektron sehingga terbentuk gas H 2, dan atom oksigen yang tersisa bereaksi dengan atom oksigen lainnya sehingga terbentuk gas O 2. Fuel cell bekerja dengan cara mengkatalis gas H 2 menjadi H + dan e-, lalu dengan membran yang hanya bisa melewatkan proton atau H +, dilewatkan H + di bagian anoda menuju gas O 2, sedangkan elektron sendiri harus melewati sirkuit untuk bisa bertemu kembali dengan H + dan O 2 lalu disatukan kembali semuanya menjadi H 2 O. elektron yang bergerak 5
melalui sirkuit tersebut menjadi arus atau energi listrik. Untuk elektrolisis dengan sel surya dengan menggunakan lampu dan sinar matahari sebagai sumber energi, terdapat sedikit sekali gas H 2 dan O 2 yang terbentuk, sehingga motor tidak dapat berjalan. Hal ini mungkin diakibatkan karena perbandingan gas hidrogen dan oksigen tidak memenuhi syarat untuk bereaksi. Yang mempengaruhi kecepatan terbentuknya gas diantaranya jenis katalis yang dipakai, kecepatan aliran energi yang digunakan atau daya dari sumber energi, serta perbandingan jumlah atom-atom yang terdapat diruas kiri dan kanan dari persamaan atau konsentrasi di ruas kiri dan kanan. suhu dari reaksi juga dapat mempengaruhi, karena akan mempengaruhi gerak dari atom-atomnya. VI. Pustaka [1] http://www.alpensteel.com/article/65-109- energi-fuel-cell-sel-bahan-bakar/1768-- teknologi-fuel-cell-sebagai-energi-alterna [2]http://KomunitasMahasiswaSentraEner gikelebihandankekuranganteknologifuel Cell.htm [3]http://FUELCELLDITENGAHKRISIS ENERGIDUNIAm-amin.htm V. Simpulan Elektrolisis H 2 O terjadi dengan cara dialirkan energi listrik ke air sehingg aterbentuk gas H 2 dan O 2 Efesiensi fuel cell dengan sumber energi elektrolisis baterai lebih besar dibandingkan dengan sumber sel surya. Semakin lama waktu maka volume gas yang terbentuk semakin besar Salah satu faktor yang mempengaruhi kecepatan terbentuknya gas adalah molaritas. 6
1. Percobaan dengan Baterai a. Energi Input Baterai 12 detik (s) (V) Arus (A) Ei (J) 1 4 2,81 0,48 5,395 2 8 2,84 0,41 9,315 3 12 2,84 0,37 12,610 24 detik Arus (s) (V) (A) Ei (J) 1 4 2,82 0,54 6,091 2 8 2,86 0,41 9,381 3 12 2,87 0,39 13,432 4 16 2,88 0,36 16,589 5 20 2,90 0,32 18,560 6 24 2,91 0,31 21,650 36 detik Arus (s) (V) (A) Ei (J) 1 4 2,81 0,53 5,957 2 8 2,84 0,45 10,224 3 12 2,85 0,40 13,680 4 16 2,86 0,38 17,389 5 20 2,87 0,35 20,090 6 24 2,88 0,34 23,501 7 28 2,88 0,33 26,611 8 32 2,88 0,33 30,413 9 36 2,88 0,32 33,178 48 detik Arus (s) (V) (A) Ei (J) 1 4 2,81 0,53 5,957 2 8 2,84 0,43 9,770 LAMPIRAN 7 3 12 2,85 0,39 13,338 4 16 2,86 0,36 16,474 5 20 2,87 0,34 19,516 6 24 2,87 0,33 22,730 7 28 2,88 0,31 24,998 8 32 2,87 0,30 27,552 9 36 2,87 0,30 30,996 10 40 2,87 0,30 34,440 11 44 2,87 0,30 37,884 12 48 2,86 0,29 39,811 60 detik Arus (s) (V) (A) Ei (J) 1 4 2,82 0,5 5,640 2 8 2,85 0,41 9,348 3 12 2,86 0,38 13,042 4 16 2,87 0,36 16,531 5 20 2,88 0,34 19,584 6 24 2,88 0,33 22,810 7 28 2,88 0,32 25,805 8 32 2,88 0,31 28,570 9 36 2,88 0,3 31,104 10 40 2,88 0,3 34,560 11 44 2,89 0,29 36,876 12 48 2,89 0,29 40,229 13 52 2,89 0,29 43,581 14 56 2,89 0,29 46,934 15 60 2,89 0,28 48,552
e. Data dan Arus saat Motor Dinyalakan 12 detik 0 1,10 0,11 4 0,54 0,09 8 0,10 0,05 Motor mati di 2 24 detik 0 1,40 0,18 4 0,70 0,14 8 0,10 0,09 Motor mati di 4 4 0,40 0,11 8 0,21 0,08 12 0,10 0,05 Motor mati di 6 60 detik 0 2,00 0,20 4 0,23 0,13 8 0,04 0,10 12 0,03 0,07 Motor mati di 7 36 detik 0 1,80 0,14 4 0,60 0,13 8 0,04 0,10 Motor mati di 5 48 detik 0 1,70 0,14 g. grafik volume gas H2 dan O2 terhadap waktu (dalam satu grafik) pengisian fuel cell (s) Vol. Gas H2 terbentuk Vol. Gas O2 terbentuk 1 12 0,50 0,25 2 24 0,75 0,40 3 36 1,00 0,50 4 48 1,25 0,60 5 60 1,40 0,70 8
9