Daftar isi Membran Fuel Cell daTi Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
MEMBRAN
FUEL CELL DARI POLISTIREN TERSULFONASI
Sri Pujiastuti, Sunit Hendrana dan Indriyati Pusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI JI. Cisitu 211154D, Sangkuriang, Komplek LIPI, Bandung
ABSTRAK MEMBRAN FUEL CELL DARI POLlSTlREN TERSULFONASI. Telah dilakukan pembuatan membran dari hasil sulfonasi Recrystalized Polystyrene Bimodal, PSBMr, dengan teknik hot press. Membran polistirena tersulfonasi (s-PSBMr) ada yang dibuat s-PSBMr saja dan ada yang dengan variasi campuran s-PSBMr dan HIPSr dengan kondisi hot pres: suhu 80°C, tekanan 50 kgf/cm2 selama 10 detik diteruskan pada tekanan 90 kgf/cm2 selama 10 detik. Karakterisasi membran yang diperoleh meliputi konduktivitas elektrik dengan menggunakan General Radio 1650B Impendance Bridge, uji tensile dengan menggunakan Tensile Tester, dan penyerapan uap air. Hasil karakterisasi beberapa membran telah ada yang mendekati nilai karakterisasi yang dimiliki oleh membran Nation, membran pembanding untuk Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), terdapat pada membran hasil campuran an tara s-PS dan PS. Kala ktlllci : Po/istiren tersulfonasi.
men/bran fuel cell
ABSTRACT FUEL CELL MEMBRANE FROM SULFONATED POLYSTYRENE. Membrane/Tom heterogeneous\ sulfonaiion of Recrystalized P~lystyrene Bimodal, PSBMr, has been made using hot press.technic. ~s made /Tom s-PSBMr only and with variation of blending s-PSBM and HIPS. It pressed at 80°C, 50 kgf/cm2 in ten seconds and 90 kgf/cm2 in ten seconds. Characterizations of membrane have been obtained /Tom General Radio 16500. Impedance Bridge for its electric conductivity, Tensile Tester for its tensile strength, and its waater vapor absorption. Some resulst almost similar to characterization of Nation membrane as a commercial membrane for PEMFC like its electric conductivity and elastic modulus. These can be found at blending s-PS and PS membranes.
"
Key words: Sulfonated Polystyrene,
Fuel cell membrane
PENDAHULUAN Membran polimer merupakan jantung dari sel bahan bakar karena disini terjadi reaksi elektrokimia untuk menghasilkan tenaga listrik. Saat ini Nafion® merupakan membran polimer utama untuk sel bahan bakar dari polimer. Membran ini harganya sangat mahal. Kemampuan pembuatan membrnn polimer berbasis polistiren (PS) akan memberikan alternatif membran selain Nafion®,
konduktivitas elektrik lapisan tipis sebanding dengan derajat sulfonasi Tujuan penelitian ini adalah penguasaan teknologi pembuatan membran s-PS untuk dapat memenuhi karakteristik mekanik seperti Nation (meliputi evaluasi antara karakteristik sulfonasi dengan ~ifat mekanik maupun elektrokimia).
Proses sulfonation heterogen yang telah dikembangkan di PPF - LIPI telah menunjukkan : derajat sulfonasi yang telah tinggi. sulfonasi yang dipilih dapat rnenaikkan konduktivitas elektrik dari orde 10-8 (PS) menjadi 10-5 S/cm
METODEPERCOBAAN Bahan Bahan yang digunakan meliputi High Impact Polystyrene (HIPS), Polystyrene Bimodal (PSBM), Asam Sulfat berasap 60 % SO) dan
Gas
N2
235
ISSN 1410-8720
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
Peralatan yang digunakan bel1lpa reaktor 1jenis s-PS (~-PSBMr), ;edangkan membran sulfonasi, Cryogenic Crusher (kapasitas kelompok kedua merupakan earn pur an ± 1 gram), Ho,-Pre..ss_(Go.l1f1{}~Pressure...G..E!!..g!!..... antara s-PS dan PS (s-PSBMr dan HIPSr). Salah 02326), {Sp;k-trofotometer Inframerah )satu eontoh(eampuran kondisi hot presss-PSBMr pembuatan (FTIR-43octstnmadzy), Ther111..ogrG\!imetri~ membran an tara dan Analysis (TG/DTA200, SEIKO), Tensile Tester HIPSr) ada pada T?bel I. clanGeneral Radio 1650B Impendance Bridge. Tabell. Kondisi hot press campuran antara s-PSBMr dan HIPSr
Sulfonasi Polistiren Proses
(bib) (bib) 3I(bib) I 35513I5:35(bib) (bib) sulfonasi dilakukan 46 29 10 No
seeara II 785 3
s-PSBMr : HIPSr HIPSr :NY s-PSBMr s-rSBMr 35IIP=90(t=IO) idem s·PSBMr: s-PSBMr: Nama Sampel Idem Idem s-PSBMr: HIPSr s-PSBMr: HIPSr Y (vakum 13 (80) 1:5 NY 1:5 (120) Y 1:3 P=90(t=10) (120) 1:3 P=50(t=1O), (120) 5: NY 3: 1:T=120. 1:5 Jenis :Sampcl 1:3 (80) 61:1 jam) (80) T=80. P=50(t=10), P(kgf/cm2), t(s)
I K,"""
1 Oilakukan
heterogen. dengan mengalirkan gas SO) pada serbuk bahan (PSBMr) dalam suatu reaktor sulfonasi dengaa bantuan gas pembawa N2 (pada suhu kamar). Hasiinya dinamakan s-PSBMr. Karakterisasi
Ho>p~" ('C),
HasH Sulfonasi
IdentifIkasiclanpenentuan derajat sulfonasi hasil sulfonasi diketahui dari spekfruminfra merah yang diperoleh dari speRtrofotometer FTIR-4300, buatan Shimadzu. Prep.;asrsampel dengan menggunakan teknik pelet KBr. • IdentifIkasi hasil sulfonasi dilakukan dengan earnmembandingkanspektrum hasil sulfonasi dan spektrum bahan dasar. • Oerajat sulfonasi dihitung dengan menggunakanrumus : = (Abspada 1180cm-'/Abspada (Abspada 1180cm-'/Abspada
1452.3cm-')s - PS x 100% 1452.3cm -I) PS
Keterangan PW1cakpada 1180em'\ : gugus fungsi-S03 Puneak pada 1452,3 em'l : gugus fungsi-CH2' waktu
~fat termalhasiisulfonasi terhadap fungsi dilakukan dengan menggunakan
Th~mogravimetric Analysis (TG/OTA (suhu 200, SEIKD):-Sifat termal hasil sulfonasi dekomposisi = Td) dipelajari dengan eara dibandingkan dengan sifat tennal bahan dasar.
Keterangan : T = temperatur, P = tekanan, t = waktu
Karakterisasi
membran
Karakterisasi membran meliputi : Konduktiyitas elektronik Pengukuran konduktiyitas elektronik lapisan tipis dilakukan dengan General Radio 1650B Impendance Bridge.-., Uji tensile (Tensile Tester), 'Penyerapanuap air (Wate(vapor absorption).
Pembuatan Membran
HASIL DAN PEMBAHASAN
Metode pembuatan membran dilakukan dengan teknik hot press (Hot Press Gonno Pressure Gauge 02326). Pembuatan membran dilakukan dalam 2 kelompok. Membran kelompok pertama terdiri dari
Karakterisasi
236
HasH Sulfonaasi
Oari spektrum FTIR tampak bahwa sulfonasi telah terjadi pada s-PSBMr (Gambar 1 dan Gambar 2) yang ditunjukkan dengan adanya :
Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
Gugus sulfonat
(-S03-)
: 1010 em-' dan
•.• II _ •.,.
u.
1180 em-I -
il!
Cinein aromatik tersubstitusi (gugus sulfonat yang terikat pada einein aromatik) : 850 em-I sampai dengan 840 em-I.
-..
~, __
""
IDCIC, "OU __
••. _
.-00
••••• LIfII.1 ••.•••••.
'?till -.-.
-I].
Gambar J. Spektrum FTIR PSBM
-n~
!l11I1Irt_ta
• IIt.
-II
IU
511
a
.u.,. lI.f
Gambar 2. Spektrum FTIR s-PSBM .11-
Dari analisa termal (Gambar 5) diperoleh hasil sebagai berikut : - Kestabilan termal s-HIPSe lebih baik dari
-
DI-
'IC
•
pada HIPSe (Td s-HIPSe = 425,8 °C dan Td HIPSe = 415,6 °C) Kestabilan termal s-PSBMe lebih rendah dari pada HIPSe (Td s-HIPSe = 388,3 °C dan Td HIPSe = 396,9 °C)
Karakterisasi Membran Konduktivitas Elektrik Konduktivitas elektrik membran yang terbuat dari 1 jenis s-PS (s-HIPS atau s-PSBM) nilainya sangat kecil bila dibandingkan dengan Nafion (tidak ditampilkan) - Konduktivitas elektrik membran (eampuran s-PSBMr dan HIPSr) Konduktivitas Elektrik Nafion adalah 10-5 S/em.
III "1I11III ~B
ur
.adK.,.,IIII.1d
b
Gambar 3. Termogram TG/DTA (a) PSBM dan (b)s-PSBM
Dari data konduktivitas elektrik membran yang terbuat dari eampuran s-PSBMr dan HIPSr tampak bahwa : (lihat Tabel2) - Nilai konduktivitas elektrik akan menurun bila
-
-
-
perbandingan masa s-PSBMr terhadap HIPSr berkurang. Seeara visual, pembuatan membran dengan perbandingan s-PSBMr terhadap HIPSr lebih besar akan menghasilkan membran yang lunak dan basah. Kondisi optimal perbandingan s-PSBMr clan HIPSr untuk konduktivitas e1ektrik, diperoleh
237
Prosiding Simposium
ISSN 1410-8720
Nasional Polimer V
pada 1: 3 dan 1: 5 baik vakum maupun non vakum.
NV 5: I (80) NV NV V 1:5(120) 1:3 1:5 I: 1:5 1:3 I (80) (80) (80) 3:1 NV
Sebagai perbandingan, Nation mempunyai Tensile Strength 43 Mpa (in machine direction) dan 32 Mpa (in transverse direction) yang diukur menggunakanASTM D 882. Membran yang diperoleh dengan hot press pada suhu 120 oC mempunyai nilai Tensile strength lebih tinggi dari pada yang dihasiIkan pada suhu 80 oC, namun demikian hal initidak mempengaruhi nilaikonduktivitaseIektriknya. Akan tetapi bila dibandingkan dengan nilai TensileStrength-nya Nation masihjauh lebih rendall.
Tabel 2. Kondoktivitas elektrik berbasis lapis dari s-PSBMr dan HIPSr. Konduktivitas Elektrik 10-4 1.885 4.147 1.691 9.530 6.79 10-4 10-5 1.536 5.967 10-3 2,8 xxxx 10-4 Sampel (S/cm)
Modulus Elastisitas -
Tensile Strength Hasil pengukuran Tensile Strength ditunjukkan pada Tabel 3. - Membran yang terbuat dari I jenis s-P~ (s-PSBM) sangat rapuh sehingga tidak dapat diukur Tensile Strength-nya. Membran yang terbuat dari 1 jenis s-PS (s-HIPS)memiliki nilai TensileStrength (tidak NV V 1:3 NV V 1:5 1:3(120) 1:3 (120) (120) NV 1:5(80) (80) 1:5 ditampiIkan karena konduktivitas eIektriknya kecil biladibandingkan Nation) Tensile Strength membran (campuran s-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagai berikut :
NV 1:5 1:3(120) (80) V V NV 1:5 (80) NV 1:3 1:5(120) (120) V
Tabel 3. Tensile strength berbasis komposisi s-PSBMrdan HIPSr. Tensile Strength 1.8413 2.017 1.2715 2.7977 6.9371 5.3302 3.7962 5.3134 1:3 1:5 (80) (120) Sampcl (MPa)
-
Membran yang terbuat dari I jenis s-PS (s-PSBM) tidak mempunyai nilai modulus elastisitas (tidak ditampilkan karena konduktivitas elektriknya kecil bila dibandingkan Nation). Modulus elastisitas membran (campuran s-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagai bcrikut :
Tabel4. Modulus clastisitas membran s-PSBMr dan HIPSr) Elastic Modulus 680.200 428.330 255.261 392.360 556.690 559.950 557.606 659.064 1:3 (80) 1:5 Sampel (MPa)
(campuran
dari
Ada salah satu membran (campuran s-PSBMr dan HIPSr) yang mempunyai nilai modulus elastisitas yang mendekati Nafion (249 MPa) untuk membran NV 1:3 (80) (membran dengan perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3 tanpa vakum dengan hot press pada suhu 80°C).
238
Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
Water Vapor Absorption -
Penyerapan uap air sangat tergantung pada komposisi Penyerapan uap air yang relatif kecil ditunjukkan oleh membran dengan perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3yang di hot press pada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpa vakum) dan membran dengan perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yang di hot press pada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpa vakum) Water Vapor Absorption 90
:-+-tW __
1:3(80)
tW 1:5 (80) tW 3:1 (80)
, tW51(80) __ v 1:3(80) I-+-V 1:5(80) ~
10
15
20
tW 1:1 (80)
I
25
Waklu Oam)
Gombar 4. Penyerapan air
KESIMPULAN 1. Proses sulfonasi yang dilakukan telah mampu menaikkan nilai konduktivitas elektrik sebanding (>= 10-5 Scm-1) dengan nilai yang dimiliki oleh Nation. Kenaikkan teramati pada membran yang terbuat dari campuran s-PSBMr dan HIPSr dengan perbandingan I: 3 dan 1: 5 baik vakum maupun non vakum. 2. Sifatmekanik membran mengalami perbaikan dari tahun lalu, hanya belum menyamai nilai yang dimiliki oleh Nation, terutama untuk tensile strength. Semen tara modulus elastisitasnya telah ada yang mendekati nilai Nation, terdapat pada membran dengan perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3 tanpa vakum dengan hotpress pada suhu 80 derajat celcius. 3. Membran yang dibuat masih mempunyai nilai water absorption yang cukup tinggi. Nilai water absorption-nya yang relatif kecil teramatipada membran dengan perbandingan
sPSBMr : HIPSr = 1:3 yang di hotpress pada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpa vakum) dan membran dengan perbandingan. sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yang di hot press pada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpa vakum). DAFTAR PUSTAKA [I]. INAGAKI, Y., KUROMIYA, M., NOGUCHI, T., WATANABE, H., Langmuir, 15, (1999) 4171 [2]. EL-HOSINY, F.I., GAD, E.A.M.,J Appl. Polym.Sci., 56, (1995) 153 [3]. KUCERA, F., JANCAR, J., Polym. Eng. Sci., 38, (1998) 783 [4]. KUCERA, F., Homogeneous and Heterogeneous Sulfonation of Polystyrene, PhD Thesis, BRNO Univ of Technology (2001) [5]. KUCERA, F., JANCAR, J., Chem. Papers, 50, (1996) 224 [6]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S., INDRIYATI. Gas-Phase Sulfonation of Polystyrene. Prosiding Simposium Nas. Pohmer IV Jakarta, (2003) 126-130 [7]. MENNOLA, TUOMAS. Design and Experimental Characterization of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Thesis. Helsinki University of Technology. Department of Engineering Physics and Mathematics. (2000) [8]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S., INDRIYATI. Pendekatan Baru Sulfonasi Polistirena Dengan Fasa Gas-Padai. Prosiding Pemaparan Hasi/ Litbang 1PT. Buku 1, (2003) B 119-B 123
239
