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:
[email protected] 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 platina sangat tipis yang melapisi kertas karbon.
I. Pendahuluan 1.1 Tujuan 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 : 2H2 → 4H+ + 4HKatoda : O2 + 4H+ + 4H- → 2H2O Reaksi total : 2H2 + O2 → 2H2O 1
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 H2 dan O2 , 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 H2 dan O2 . 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 H2 dan O2 , 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 H2 dan O2 .Ulangi percobaan denganmenggunakan sumber cahaya matahari langsung.
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.
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 H2 dan O2. 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 Tegangan, Arus, dan Energi dapat dilihat dilampiran di halaman paling belakang b. Data elektrolisis dan konversi elektrokimia
No.
Waktu pengisian fuel cell (s)
Vol. Gas H2 terbentuk (mL)
Vol. Gas O2 terbentuk (mL)
1 2 3 4 5
12 24 36 48 60
0,50 0,75 1,00 1,25 1,40
0,25 0,40 0,50 0,60 0,70
Waktu motor bergerak (s) 2 4 5 6 7
Vol. Gas H2 sisa (mL) 0,20 0,15 0,20 0,25 0,20
Vol. Gas O2 sisa (mL) 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10
Tabel 1. Data volume gas H2 dan O2 yang terbentuk
c. Energi gas terbentuk
No. 1 2 3 4 5
Waktu pengisian fuel cell (s) 12 24 36 48 60
Vol. Gas H2 terbentuk (mL) 0,50 0,75 1,00 1,25 1,40
Vol. Gas O2 terbentuk (mL) 0,25 0,40 0,50 0,60 0,70
n H (mol) 2,23E-05 3,35E-05 4,46E-05 5,58E-05 6,25E-05
n O (mol)
n H2O (mol)
1,12E-05 1,79E-05 2,23E-05 2,68E-05 3,13E-05
2,23E-05 3,35E-05 4,46E-05 5,58E-05 6,25E-05
Tabel 2. Data mol H2 dan O2 serta energi yang yang dikeluarkan
3
Eb (J) -5,38 -7,52 -10,76 -14,00 -15,06
d. Energi gas yang terpakai
No. 1 2 3 4 5
Waktu pengisian fuel cell (s) 12 24 36 48 60
Vol. Gas H2 terpakai (mL) 0,30 0,60 0,80 1,00 1,20
Vol. Gas O2 terpakai (mL) 0,15 0,30 0,40 0,50 0,60
n H (mol) 1,34E-05 2,68E-05 3,57E-05 4,46E-05 5,36E-05
n O (mol)
n H2O (mol)
6,70E-06 1,34E-05 1,79E-05 2,23E-05 2,68E-05
1,34E-05 2,68E-05 3,57E-05 4,46E-05 5,36E-05
Ep (J) -3,23 -6,46 -8,61 -10,76 -12,91
Tabel 3. Data mol H2 dan O2 serta energi yang yang dikeluarkan
e. Energi yang dipakai motor
No. 1 2 3 4 5
Waktu pengisian fuel cell (s) 12 24 36 48 60
Waktu motor bergerak (s) 2 4 5 6 7
Tegangan Fuel Cell (V) 1,10 1,40 1,80 1,70 2,00
Arus (A)
Eo (J)
0,11 0,18 0,14 0,14 0,20
0,24 1,01 1,26 1,43 2,80
Tabel 3. Data mol H2 dan O2 serta energi yang yang dikeluarkan
Data Tegangan dan Arus saat Motor Dinyalakan dapat dilihat dilampiran di halaman paling belakang.
f. Efisiensi
No. 1 2 3 4 5
Ei (J) 12,610 21,650 33,178 39,811 48,552
Eb (J) 5,38 7,52 10,76 14,00 15,06
Ep (J) 3,23 6,46 8,61 10,76 12,91
Tabel 4. Data efisiensi tiap reaksi percobaan
4
Eo (J) 0,24 1,01 1,26 1,43 2,80
η1(%) 42,66 34,72 32,43 35,17 31,02
η2 (%) 60,00 85,87 80,00 76,85 85,71
η3 (%) 7,50 15,61 14,64 13,27 21,69
g. grafik volume gas H2 dan O2 terhadap waktu
IV. Pembahasan Seperti terlihat pada grafik, volume gas H2 yang terbentuk mempunyai grafik dengan kenaikan yang lebih terjal dari gas O2 namun terdapat sedikit penurunan didetik 45 detik, begitupun grafik gas O2 pada detik 25 , yang artinya volume gas H2 lebih banyak terbentuk daripada gas O2, dikarenakan pada anoda air akan membentuk lebih banyak gas H2 untuk memberikan elektronnya dan terbentuknya H+ yang semakin lama semakin sedikit sehingga pembentukan gas H2 semakin berkurang, begitupun untuk gas O2. 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 H2 dan O2 yang terbentuk tidak selalu 2:1, karena untuk elektrolisis dengan waktu yang lebih singkat, perbandingan H2 lebih besar daripada O2 artinya untuk waktu awal H2 yang terbentuk lebih banyak daripada O2 karena reaksi terbentuknya H2 lebih cepat daripada O2. 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 H2O terjadi saat air diberi aliran elektron, yang membuat bagian H+ dari air bereaksi dengan elektron sehingga terbentuk gas H2, dan atom oksigen yang tersisa bereaksi dengan atom oksigen lainnya sehingga terbentuk gas O2. Fuel cell bekerja dengan cara mengkatalis gas H2 menjadi H+ dan e- , lalu dengan membran yang hanya bisa melewatkan proton atau H+, dilewatkan H+ di bagian anoda menuju gas O2, sedangkan elektron sendiri harus melewati sirkuit untuk bisa bertemu kembali dengan H+ dan O2 lalu disatukan kembali semuanya menjadi H2O. elektron yang bergerak
gambar 5. Grafik volume gas H2 dan O2 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
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 H2 dan O2 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/65-109energi-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 H2O terjadi dengan cara dialirkan energi listrik ke air sehingg aterbentuk gas H2 dan O2 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
LAMPIRAN 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1. Percobaan dengan Baterai a. Energi Input Baterai 12 detik Waktu Tegangan No. (s) (V) 1 4 2,81 2 8 2,84 3 12 2,84
Arus (A) Ei (J) 0,48 5,395 0,41 9,315 0,37 12,610
24 detik Waktu No. (s) 1 4 2 8 3 12 4 16 5 20 6 24
Tegangan (V) 2,82 2,86 2,87 2,88 2,90 2,91
Arus (A) 0,54 0,41 0,39 0,36 0,32 0,31
Ei (J) 6,091 9,381 13,432 16,589 18,560 21,650
36 detik Waktu No. (s) 1 4 2 8 3 12 4 16 5 20 6 24 7 28 8 32 9 36
Tegangan (V) 2,81 2,84 2,85 2,86 2,87 2,88 2,88 2,88 2,88
Arus (A) 0,53 0,45 0,40 0,38 0,35 0,34 0,33 0,33 0,32
Ei (J) 5,957 10,224 13,680 17,389 20,090 23,501 26,611 30,413 33,178
48 detik Waktu No. (s) 1 4 2 8
Tegangan (V) 2,81 2,84
Arus (A) 0,53 0,43
Ei (J) 5,957 9,770 7
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
2,85 2,86 2,87 2,87 2,88 2,87 2,87 2,87 2,87 2,86
0,39 0,36 0,34 0,33 0,31 0,30 0,30 0,30 0,30 0,29
13,338 16,474 19,516 22,730 24,998 27,552 30,996 34,440 37,884 39,811
60 detik Waktu No. (s) 1 4 2 8 3 12 4 16 5 20 6 24 7 28 8 32 9 36 10 40 11 44 12 48 13 52 14 56 15 60
Tegangan (V) 2,82 2,85 2,86 2,87 2,88 2,88 2,88 2,88 2,88 2,88 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89
Arus (A) 0,5 0,41 0,38 0,36 0,34 0,33 0,32 0,31 0,3 0,3 0,29 0,29 0,29 0,29 0,28
Ei (J) 5,640 9,348 13,042 16,531 19,584 22,810 25,805 28,570 31,104 34,560 36,876 40,229 43,581 46,934 48,552
e. Data Tegangan dan Arus saat Motor Dinyalakan
4 0,40 0,11 8 0,21 0,08 12 0,10 0,05 Motor mati di detik ke-6
Pengisian 12 detik Tegangan detik ke(V) Arus (I) 0 1,10 0,11 4 0,54 0,09 8 0,10 0,05 Motor mati di detik ke-2
Pengisian 60 detik Tegangan detik ke(V) Arus (I) 0 2,00 0,20 4 0,23 0,13 8 0,04 0,10 12 0,03 0,07 Motor mati di detik ke-7
Pengisian 24 detik Tegangan detik ke(V) Arus (I) 0 1,40 0,18 4 0,70 0,14 8 0,10 0,09 Motor mati di detik ke-4 Pengisian 36 detik Tegangan detik ke(V) Arus (I) 0 1,80 0,14 4 0,60 0,13 8 0,04 0,10 Motor mati di detik ke-5 Pengisian 48 detik detik ke0
Tegangan (V) 1,70
Arus (I) 0,14
g. grafik volume gas H2 dan O2 terhadap waktu (dalam satu grafik)
No. 1 2 3 4 5
Waktu pengisian fuel cell (s) 12 24 36 48 60
Vol. Gas H2 Vol. Gas O2 terbentuk terbentuk (mL) (mL) 0,50 0,25 0,75 0,40 1,00 0,50 1,25 0,60 1,40 0,70 8
9
