STUDI DAN APLIKASI MATERIAL SDC- Na2CO3 SEBAGAI ELEKTROLIT FUEL CELL DENGAN BAHAN BAKAR MINYAK BIODIESEL DARI BIJI PRANAJIWA (Sterculia Foetida Linn), BIOSOLAR KOMERSIAL DAN HIDROGEN
Disusun Oleh: RAHMAT JAYA EKA SYAHPUTRA M0312058
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Desember, 2016
I
HALAMAN PENGESAHAN Skripsi STUDI DAN APLIKASI MATERIAL SDC-Na2CO3 SEBAGAI ELEKTROLIT FUEL CELL DENGAN BAHAN BAKAR MINYAK BIODIESEL DARI BIJI PRANAJIWA (Sterculia Foetida Linn), BIOSOLAR KOMERSIAL DAN HIDROGEN
RAHMAT JAYA EKA SYAHPUTRA NIM. M0312058 Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing
Dr. Fitria Rahmawati, M.Si. NIP. 197510102000032001 Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari
: Rabu
Tanggal
: 28 Desember 2016
Anggota Tim Penguji : 1. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas
1. …………………………...
NIP. 19740419 200003 2001 2.
2. …………………………...
Dr. Sayekti Wahyu Ningsih M.Si NIP. 19711211 199702 2001 Mengetahui,
Kepala Program Studi Kimia FMIPA UNS
Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si NIP. 19730124 199903 2001
II
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “STUDI DAN APLIKASI MATERIAL SDC-Na2CO3 SEBAGAI ELEKTROLIT FUEL CELL DENGAN BAHAN BAKAR MINYAK BIODIESEL DARI BIJI PRANAJIWA (Sterculia Foetida Linn), BIOSOLAR KOMERSIAL DAN HIDROGEN” adalah benar-benar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Terkait dengan data hasil penelitian dan publikasi adalah dalam kerangka hak kepemilikan pembimbing karena semua bahan maupun analisa ditanggung pembimbing dan dalam kerangka pelaksanaan hibah penelitian dari pemimbing.
Surakarta, Desember 2016
RAHMAT JAYA EKA SYAHPUTRA
iii
STUDI DAN APLIKASI MATERIAL SDC- Na2CO3 SEBAGAI ELEKTROLIT FUEL CELL DENGAN BAHAN BAKAR MINYAK BIODIESEL DARI BIJI PRANAJIWA (Sterculia Foetida Linn), BIOSOLAR KOMERSIAL DAN HIDROGEN RAHMAT JAYA EKA SYAHPUTRA Program studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta 57126
ABSTRAK Solid Oxide fuel Cell merupakan salah satu sistem konversi energi yang mempunyai keunggulan dapat diaplikasikan pada jenis bahan bakar yang. Material komposit Samarium Doped Cerium-Natrium Karbonat (NSDC) diketahui mempunyai performa yang baik sebagai material elektrolit SOFC. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan pengujian kemampuan NSDC dengan variasi bahan bakar biodiesel minyak biji pranajiwa, biosolar komersial dan hidrogen. Pengujian dilakukan pada suhu rendah yaitu 400-600oC. Hasil analisa XRD menunjukkan kecocokan sampel dengan standar SDC ICSD #28791 dan Na2O ICSD #60435 dan didapatkan nilai Rp sebesar 3,87 dan Rwp 3,80. Pada biodiesel minyak biji pranajiwa kandungan senyawa terbesar adalah hidrokarbon alifatik sebesar 63.26%, hidrokarbon aromatik 6,07% dan metil ester 30,67%. Biosolar komersial terdiri dari hidrokarbon alifatik 56,2%, hidrokarbon aromatik 1,19% dan metil ester 42,61%. Densitas daya optimum SOFC dengan biodiesel biji pranajiwa sebesar 1,672 mW.cm-2 pada suhu 500oC, sedangkan biosolar komersial sebesar 1,824 mW.cm-2 pada suhu dan hidrogen sebesar 0,246 mW.cm-2 pada suhu 500oC. Perbedaan suhu optimum dan besarnya densitas daya dipengaruhi oleh perbedaan kandungan senyawa bahan bakar dan juga laju alir pengoperasian. Berdasarkan hasil SEM/EDX pada suhu 600oC elektrolit pada sel bahan bakar mengalami difusi ion Cu dari material elektroda sebesar 00,41% pada material elektrolit yang diujikan dengan menggunakan bahan bakar biodiesel dan 00,40% pada material elektrolit yang diujikan pada bahan bakar biosolar komersial. Difusi ion dari elektroda ke elektrolit dapat menyebabkan penurunan kinerja fuel cell. Kata kunci: , Biodiesel, Solid Oxide Fuel Cell, Konversi Energi ,NSDC, Operasi Suhu Rendah
iv
STUDY AND APPLICATION OF SDC- Na2CO3 AS ELECTROLYTE FOR FUEL CELL WITH BIODIESEL FROM PRANAJIWA SEED (Sterculia Foetida Linn), BIOSOLAR COMERSIAL AND HYDROGEN AS FUELS
RAHMAT JAYA EKA SYAHPUTRA Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University, Jl. Ir. Sutami No.36A Surakarta, 57126 Solid Oxide fuel Cell is an energy conversion system with the advantage of various fuels type that can be applied the composite of SDC-sodium carbonate (NSDC) has known to have good performance as an electrolyte material for SOFC. This research aims to test the performance of NSDC in an SOFC single cell with various fuels of biodiesel pranajiwa seeds oil, the commercial biodiesel and hydrogen. This cell performance test has been conducted under 400-600oC. The analysis result of biodiesel shows that pranajiwa seeds oil contains alifatic hydrocarbon 63.26%, aromatic hydrocarbon 6,07% and methyl ester 30,67%. Meanwhile, the commercial biosolar contain aliphatic hydrocarbon 56,2%, aromatic hydrocarbon 1,19% and methyl ester 42,61%. The optimum density of SOFC with pranajiwa seeds oil biodiesel as fuel is 1,672 mW.cm-2 at 500oC. Meanwhile the optimum density of SOFC with biosolar as fuel is 1,824 mW.cm-2 at 400oC and the optimum power density with hydrogen as fuel is 0,246 mW.cm-2 at 500oC. The different contain of fuel that has been used in this research might be the reason of different power density of each fuel cell. The SEM/EDX analysis on the NSDC electrolyte after being used under biodiesel fuel shows that there were 00,41% Cu ions diffusion from electrode into electrolyte. Meanwhile, the commercial biosolar was used as fuel there were 00.40% Cu Ions diffusion from electrode into electrolyte. These ion diffusion from electrode into electrolyte might cause the decreasing of fuel cell performance.
Key Words: Biodiesel, Energy Conversion, Low Temperatur Operation, NSDC, Solid Oxide Fuel Cell,
v
MOTTO
“SESUNGGUHNYA SESUDAH KESULITAN ADA KEMUDAHAN. MAKA APABILA TELAH SELESAI DARI SUATU URUSAN, KERJAKANLAH URUSAN LAIN DENGAN SUNGGUH-SUNGGUH, DAN HANYA KEPADA ALLAH LAH HENDAKNYA BERHARAP” (QS. Al-Insyirah : 6-8) “BEFORE YOU ARE A LEADER SUCCESS IS ABOUT GROWING YOURSELF. WHEN YOU BECOME A LEADER SUCCESS IS ABOUT GROWING OTHERS” (Jack Welch) “ LEARNING WITHOUT THINKING IS USELESS, BUT THINKING WITHOUT LEARNING IS VERY DANGEROUS! ” (Soekarno)
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini saya persembahkan untuk Abuana, Bapak, dan Andhita Noor Jaya Oktaviana Terselesainya karya ini saya persembahkan untuk supporter paling setia saya yang selalu memberikan semangat, do’a dan kebebasan kepada saya untuk mengeksplore diri. Saya persembahkan karya dan keberhasilan ini kepada Keluarga yang tak pernah berhenti untuk terus berusaha demi kesuksesan saya. Terima kasih atas segala bentuk dukungan dan do’a dalam setiap sujud yang kalian berikan, semoga hasil ini dapat membanggakan kalian semua dan yang kalian harapkan menjadi kenyataan
Solid State and Catalysis Research Group Rasa terima kasih saya ungkapkan kepada Dr. Fitria Rahmawati M.Si atas bimbingan, motivasi, dukungannya serta berbagai saran membangun yang dapat memberikan jalan keluar akan kesulitan yang saya hadapi hingga saya berhasil menyelesaikan penelitian ini.Tak lupa juga kepada semua mahasiswa tim riset SSC yang selalu memberikan semangat dan bantuan satu sama lain untuk bisa sukses menyelesaikan tugas bersama-sama
Kimia UNS Angkatan 2012 Ungkapan syukur mempunyai teman-teman yang selalu solid untuk mencapai gelar sarjana. Terima kasih kepada teman-teman kimia angkatan 2012 yang selalu ada untuk memberi semangat, do’a, gurauan yang menjadikan saya merasa nyaman berada di lingkungan persaudaraan ini. Kita telah menyelesaikan waktu singkat ini, dan saatnya menanti kabar akan keberhasilan kalian masing-masing. Danke, Beste Vriend Voor Altijd
vii
KATA PENGANTAR Puji syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang tak pernah berhenti melimpahkan berkah, rahmat, karunia, dan ijin-Nya sehingga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku Pembimbing 1, yang memberikan
dukungan penuh atas keberhasilan penulisan skripsi ini 2. Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS. 3. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si selaku Pembimbing Akademis
dan juga ketua Laboratorium Kimia FMIPA UNS 4. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Kimia FMIPA UNS 5. Orang tua saya dan keluarga saya yang telah memberikan dukungan baik
material maupun non-material serta doa yang selalu dipanjatkan 6. Teman- teman seperjuangan grup riset SSC yang selalu bersedia
memberikan bantuan dalam penyelesaian penelitian ini (Arum Putri Prameswari selaku partner riset, Fatmawati Resiana Putri, Karima Apriany, Viona Natalia, Ita Permadani, Anggia Putri Gustami, Arianta Wulandari Ana Ulfa Istiqomah, dan Imam Shofid) 7. Kepada “Genk Jamaah menuju Jannah” yang selalu mengingatkan dalam
kebaikan dengan caranya masing-masing (Joni Hartono, Syaiful Ahmad Nur Cahyo, Rizky Mahdia Ista Munifa, Karina Tegarwati Juliani, dan Maria Arvinawati) 8. Teman yang selalu bertahan untuk berdebat dan yang memberikan inspirasi
(Ilma Dwi Winarni). 9. Teman- teman laboratorium riset (Listyaningrum, Nurul Apri Indri, Siti
Khotijah, Ida Dahlia, Frilia Elfani Putri dan Mas Ryandi Putra).
viii
10. Teman-teman Eks PHT Himamia yang telah melatih ketegaran diri saya
(Oktaviana Dewi, Susi Damayanti, Tri Utami, Ani, Reno Saktian, Lovita Phrigiany, Hamdana Putra Pranata, Syaiful Ahmad, Kartiko Nugroho, Wulan Cahya Inayah, Prapti Rahayu, Arum Putri, Dyah Choiryah, Dheo Adha Saputra) 11. Rekan-rekan Eks Pengurus Himamia Periode 2013, Himamia Periode 2014
dan BEM FMIPA UNS Kabinet Optimis yang memberikan kesempatan kepada saya untuk berlatih manajemen diri. 12. Semua pihak yang telah membantu.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin
Surakarta, Desember 2016 Rahmat Jaya Eka Syahputra
ix
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL...................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN .....................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................
iii
HALAMAN ABSTRAK .............................................................................
iv
HALAMAN ABSTRACT ............................................................................
v
HALAMAN MOTTO .................................................................................
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................
vii
KATA PENGANTAR ................................................................................
viii
DAFTAR ISI ...............................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................
xii
DAFTAR TABEL .......................................................................................
xv
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
xvi
DAFTAR ISTILAH………………………………….. ..............................
xvii
BAB I PENDAHULUAN ...........................................................................
1
A. Latar Belakang Masalah ..............................................................
1
B. Perumusan Masalah .....................................................................
4
1. Identifikasi Masalah ...............................................................
4
2. Batasan Masalah .....................................................................
5
3. Rumusan Masalah ..................................................................
6
C. Tujuan Penelitian .........................................................................
6
D. Manfaat Penelitian.......................................................................
6
BAB II LANDASAN TEORI .....................................................................
7
A. Tinjauan Pustaka .........................................................................
7
1. Sel Bahan Bakar .....................................................................
7
2. Solid Oxide Fuel Cell ............................................................
11
3. Elektrolit ................................................................................
12
4. Anoda .....................................................................................
14
5. Katoda .....................................................................................
14
6. Metode Sol Gel Sintesis Samarium-Doped Ceria ..................
15
x
7. Metode Kopresipitasi material SDC-Natrium Karbonat ........
16
7. Biodiesel sebagai Bahan Bakar ..............................................
17
8. Konduktivitas ion ...................................................................
20
9. Analisa ....................................................................................
21
a) Difraksi Sinar X ..............................................................
21
b) Metode Le Bail pada program Reitica ............................
23
c) Pengukuran Konduktivitas .............................................
23
d) Densitas Daya Bahan Bakar ...........................................
24
B. Kerangka Pemikiran ....................................................................
25
C. Hipotesis ......................................................................................
27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN....................................................
28
A. Metode Penelitian .......................................................................
28
B. Tempat dan Waktu Penelitian ....................................................
28
C. Alat dan Bahan ...........................................................................
28
D. Prosedur Penelitian .....................................................................
30
E. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data.....................................
32
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ............................
35
A. Hasil Karakterisasi Komposit dengan XRD ..............................
34
B. Uji Konduktivitas Material NSDC .............................................
39
C. Analisis Molekular Bahan Bakar................................................
43
D. Uji Performa Sel (Open Circuit Voltage dan Power Density) ...
47
E. Hasil Uji Stabilitas pada Material Sel Tunggal Bahan Bakar.....
56
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................
62
A. Kesimpulan ................................................................................
62
B. Saran ...........................................................................................
62
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
63
LAMPIRAN ................................................................................................
69
xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.
Skema Sel Bahan Bakar (Outerio dan Adriano, 2013)...............................................................................
Gambar 2.
Skema dari prinsip operasi sel bahan bakar oksida padat (Rahmawati, 2012)..........................................................
Gambar 3.
11
Ilustrasi Interstitial defect atau Frenkel defect dan Vacancy
defect
atau
Schottky
defect
(Singhal,
2013)…………..………… Gambar 4.
8
20
Mekanisme konduksi ion dalam kristal (a) mekanisme kekosongan, (b) mekanisme Interstisial dan (c) mekanisme
kekosongan-interstisial
(effendi,
2008)………………………………................................
21
Gambar 5.
Difraksi sinar-X oleh kisi kristal (Steuwer et al., 2005)..
22
Gambar 6.
Impedansi khas plot untuk sampel polokristalin untuk sirkuit setara (Hui et al, 2007)........................................
Gambar 7.
Kurva densitas daya (mW.cm-2) dan open circuit voltage (volt) (Rahmawati, 2013)…...........................
Gambar 8.
satu
sel
tunggal
bahan
bakar
(b)..........................................................................
32
Perbandingan Spektra SDC dan Standar SDC ICSD #28791.......................................................................
Gambar 11.
31
Skema uji sel tunggal bahan bakar (a) dan rangkaian beban, ampere meter disertai volt meter (b)…………
Gambar 10.
25
Susunan lapisan anoda|elektrolit|lapisan katoda (a) dan susunan
Gambar 9.
24
35
Plot refinement sampel SDC hasil sintesis dengan ICSD #28791.
+:data
eksperimen,
−:
hasil
kalkulasi,
−:perbedaan data eksperimen dan hasil kalkulasi……
xii
36
Gambar 12.
Hasil perbandingan difraktogram NDSC hasil sintesis
37
dengan standar SDC ICSD #28791 dan Na2O #60435............................................................................. Plot refinement sampel NSDC hasil sintesis dengan Gambar 13.
ICSD #28791 dan ICSD #60435 +:data eksperimen, −: hasil kalkulasi, −:perbedaan data eksperimen dan hasil kalkulasi..........................................................................
Gambar 14.
Ploting data impedansi Z real dan Z’’ pada suhu 300oC …………………………………………………
Gambar 15
38
41
Ploting data impedansi Z real dan Z’’ pada suhu 400oC………………………………………………….
41
Gambar 16.
Ploting data impedansi Z real dan Z’’ suhu 500oC …...
42
Gambar 17.
Ploting data impedansi Z real dan Z’’ suhu 600oC …...
42
Gambar 18.
Perbandingan spektra FTIR (a) Biosolar Komersial (b) Biodiesel minyak biji pranajiwa …………..………….
Gambar 19.
Kromatogram hasil analisis gas kromatografi biodiesel minyak biji pranajiwa ……...………………
Gambar 20.
45
Kromatogram hasil analisis gas kromatografi biosolar komersial……………………………………………...
Gambar 21.
(volt)
dengan
pengujian
bahan
bakar
biodiesel……………………………………………….
Grafik
perbandingan
OCV
teori
dengan
Grafik
perbandingan
OCV
teori
dengan
53
OCV
eksperimen bahan bakar biosolar………………………
xiii
50
OCV
eksperimen bahan bakar biodisel biji pranajiwa………. Gambar 25.
49
Kurva densitas daya (mW.cm-2) dan open circuit voltage (volt) dengan pengujian bahan bakar hidrogen .
Gambar 24.
48
Kurva densitas daya (mW.cm-2) dan open circuit voltage (volt) dengan pengujian bahan bakar biosolar ...
Gambar 23.
47
Kurva densitas daya (mW.cm-2) dan open circuit voltage
Gambar 22.
43
53
Gambar 26.
Grafik
perbandingan
OCV
teori
dengan
OCV
eksperimen bahan bakar hidrogen……………………... Gambar 27.
54
Hasil SEM Morfologi permukaan elektrolit dari (a) NSDC sebelum dipapar (b) NSDC setelah dipapar biodiesel
(c)
NSDC
setelah
dipapar
biosolar ...…………………………………………….. Gambar 28.
57
Hasil EDX setelah dipapar uap biodiesel minyak biji pranajiwa (a) NSDC-L │NSDC, (b) NSDC, (c) NSDC│NSDC-L ……...……………………………….
Gambar 29.
59
Hasil EDX setelah dipapar uap biosolar komersial (a) NSDC-L │NSDC, (b) NSDC, (c) NSDC│NSDC-L......
xiv
60
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.
Analisis sifat fisika minyak biodiesel minyak biji pranajiwa ………………………………......................
18
Tabel 2.
Parameter sel dari SDC dan NSDC hasil refinement ….
39
Tabel 3.
Hasil perhitungan nilai konduktivitas material NSDC pada variasi suhu…………………………………….....
Tabel 4.
39
Daftar puncak-puncak yang muncul pada FTIR pada biodisel dan biosolar. Analisis puncak-puncak spesifik dilakukan berdasarkan Ndana et al (2013)…………….
Tabel 5.
44
Komponen senyawa yang terkandung dalam biodiesel minyak biji pranajiwa berdasarkan Spektroskopi massa…………………………………………………...
Tabel 6.
46
Komponen senyawa yang terkandung dalam biosolar komersial berdasarkan Spektroskopi massa ............
46
Tabel 7.
Hasil nilai OCV dan P pada berbagai variasi suhu…….
50
Tabel 8.
Parameter termodinamika untuk pengukuran OCV teori
52
Tabel 9.
Perbandingan OCV teori dengan OCV eksperimen……
53
Tabel 10.
Daftar komponen material sel bahan bakar setelah pemaparan bahan bakar biodiesel minyak biji pranajiwa dengan menggunakan analisis EDX ……………………
Tabel 11.
59
Daftar komponen material sel bahan bakar setelah pemaparan bahan bakar biosolar komersial dengan menggunakan analisis EDX…………………………….
xv
61
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1.
Perhitungan Jumlah Bahan Pembuatan Material……….
69
Lampiran 2.
Pola Difraksi SDC dan NSDC…………………………
72
Lampiran 3.
Refinement Difraktogram SDC dan NSDC……………
74
Lampiran 4.
Data Impedansi pada Variasi Suhu Operasional……….
75
Lampiran 5.
Spektra FTIR Bahan Bakar Biodiesel dan Biosolar……
77
Lampiran 6.
Kromatogram
78
Bahan
Bakar
Biodiesel
dan
Biosolar………………………………………..………. Lampiran 7.
Data Kinerja Sel OCV dan Densitas Daya……………..
94
Lampiran 8.
Perkiraan Perhitungan Nilai OCV Teori berdasarkan
97
Data Termodinamika ………………………………... Lampiran 9.
Perkiraan Mekanisme Reaksi Pelepasan Elektron Pada Metil Ester……………………………………………
99
Lampiran 10.
Data Analisis SEM morfologi elektrolit………………..
102
Lampiran 11.
Data Analisis EDX sel bahan bakar……………………
104
xvi
DAFTAR ISTILAH SOFC
: Solid Oxide Fuel Cell
LT-SOFC
: Low Temperature-Solid Oxide Fuel Cell
SDC
: Samarium Doped Ceria
NSDC
: Komposit SDC-Na2CO3
LNC
: Li0,2Ni0,7Cu0,1O
NSDC-L
: Komposit NNSDC-LNC
OCV
: Open Circuit Voltage (Potensial reversible sebelum sirkuit dihubungkan)
Densitas Arus : Arus terukur per satuan luas Densitas Daya : Perkalian voltase dan arus dibagi satuan luas Over Voltage : Penyimpangan OCV teori dengan OCV eksperimen ICSD
: Inorganics Crysta structure Database
xvii
