PEMBUATAN DMFC MENGGUNAKAN END PLATE DESAIN VERTIKAL DENGAN CURRENT COLLECTOR TEMBAGA
MENGGUNAKAN METANOL DAN ETANOL
DAN STAINLESS STEEL SERTA PENGUJIAN KINERJA
Preparation of DMFC Using End Plate Vertical Design with
Copper and Stainless Steel Current Collector and Performance
Test Using Methanol and Ethanol
TUGAS AKHIR
OLEH IIS SYARIFAH LATIF
NIM. 091411046
LENI NURHAYATI
NIM. 091411053
JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
PEMBUATAN DMFC MENGGUNAKAN END PLATE DESAIN VERTIKAL DENGAN CURRENT COLLECTOR TEMBAGA
MENGGUNAKAN METANOL DAN ETANOL
DAN STAINLESS STEEL SERTA PENGUJIAN KINERJA
Preparation of DMFC Using End Plate Vertical Design with
Copper and Stainless Steel Current Collector and Performance
Test Using Methanol and Ethanol
TUGAS AKHIR Laporan ini diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Program Studi Diploma III Jurusan Teknik Kimia
Oleh Iis Syarifah Latif
NIM. 091411046
Leni Nurhayati
NIM. 091411053
JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
CURRICULUM VITAE
Nama : Iis Syarifah Latif
NIM
No. Hp : 087822009701
: 091411046
Email :
[email protected]
Tempat Tanggal Lahir : Bandung, 15 Maret 1990 Pendidikan
:
- D3 Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung (2009-2012) - MAS Husnul Khotimah, Kuningan (2005-2008) - MTsS Husnul Khotimah, Kuningan (2002-2005) - SDN Padasuka 3, Bandung (1996-2002)
Nama : Leni Nurhayati NIM
: 091411053
No. Hp : 085224507378 Email :
[email protected]
Tempat Tanggal Lahir : Kuningan, 15 September 1991 Pendidikan
:
- D3 Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung (2009-2012) - SMAN 2, Kuningan (2006-2009) - MTsN Sindangsari, Kuningan (2003-2006) - SDN 1 Kertayasa, Kuningan (1997-2003)
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta laporannya. Tugas Akhir ini ditujukan untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan di Politeknik Negeri Bandung. Laporan Tugas Akhir ini berjudul Pembuatan DMFC Menggunakan End Plate Desain Vertikal dengan Current Collector Tembaga dan Stainless Steel serta Pengujian Kinerja Menggunakan Metanol dan Etanol. Hasil dari Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat bagi pembaca. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Haryadi, M.Sc, Ph.D., selaku Dosen Pembimbing I Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan selama pelaksanaan Tugas Akhir. 2. Riniati, S.Pd, M.Si , selaku Dosen Pembimbing II Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan selama pelaksanaan Tugas Akhir. 3. Rispiandi, ST, MT., selaku Koordinator Tugas Akhir dan Ketua Program Studi D3 Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung yang telah memberikan pengarahan dalam pelaksanaan Tugas Akhir. 4. Ir. Dwi Nirwantoro, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung. 5. Tim penguji yang telah memberikan banyak masukan positif pada saat Tugas Akhir ini disidangkan. 6. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Kimia yang telah membimbing penulis selama masa perkuliahan di Jurusan Teknik Kimia. 7. Semua staf Tata Usaha, Teknisi, petugas gudang, serta penanggung jawab gudang alat, gudang bahan dan Laboratorium Tugas Akhir Jurusan Teknik Kimia POLBAN atas bantuan serta kerjasama yang baik selama pelaksanaan Tugas Akhir. Demikian Laporan Tugas Akhir ini penulis selesaikan. Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam penulisan laporan ini. Kritik dan saran yang membangun dari semua pihak sangat penulis harapkan untuk penyempurnaan laporan ini. Penulis berharap Laporan Tugas Akhir ini dapat berguna bagi pribadi dan menambah wawasan bagi pembacanya.
Bandung, Juli 2012 Penulis
ABSTRAK
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) merupakan salah satu jenis fuel cell yang menggunakan metanol secara langsung untuk menghasilkan listrik. Metanol menghasilkan elektron dan H+ melalui reaksi oksidasi dengan bantuan katalis di anoda yang kemudian H+ berikatan dengan oksigen di katoda membentuk air. Laporan Tugas Akhir yang berjudul Pembuatan DMFC Menggunakan End Plate Desain Vertikal dengan Current Collector Tembaga dan Stainless Steel serta Pengujian Kinerja Menggunakan Metanol dan Etanol ini berisi deskripsi rinci komponen-komponen penyusun DMFC dan pengujian kinerja terhadap DMFC GasHub sebagai standar dan DMFC hasil penelitian (DMFC X). Pada DMFC X dirancang menggunakan MEA berukuran 2x2 cm dengan spesifikasi yang sama untuk current collector pelat tembaga dan stainless steel yang memiliki ketebalan sekitar 0,2 mm. Selain itu pengembangan desain end plate vertikal dengan ukuran 4x4 cm untuk anoda menjadi aliran yang berkelokkelok juga dilakukan. Pengujian kinerja DMFC dilakukan dengan menggunakan variasi konsentrasi metanol dan etanol masing-masing 3%, 5%, 7% dan 9%. Kinerja terbaik dihasilkan oleh DMFC X dengan pelat tembaga sebagai current collector yang memiliki daya sebesar 6,5 mWatt (tegangan 0,5 volt dan arus 13 mA) dengan konsentrasi metanol 7%, sementara untuk etanol sebesar 3,2 mWatt (tegangan 0,4 volt dan arus 8 mA) dengan konsentrasi 5%. Kinerja dengan menggunakan current collector stainless steel memiliki daya sebesar 4 mWatt (tegangan 0,4 volt dan arus 10 mA) dengan konsentrasi metanol 7%, sementara untuk etanol sebesar 5 mWatt (tegangan 0,5 volt dan arus 10 mA) dengan konsentrasi 5%.
Kata kunci : Direct Methanol Fuel Cell, current collector, tembaga, stainless steel, end plate.
ABSTRACT
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is one type of fuel cell using methanol directly to produce electricity. Methanol produces electrons and H + through oxidation reactions with the aid of a catalyst at the anode then binding with oxygen at the cathode to form water. This Final Project Report entitled Preparation of DMFC Using End Plate Vertical Design with Copper and Stainless Steel Current Collector and Performance Test Using Methanol and Ethanol contains a detailed component description of DMFC and DMFC sHub as the standard and DMFC from this research (DMFC X). DMFC X was designed by using the MEA 2x2 cm with the same specification of current collector plates of copper and stainless steel having thickness of about 0.2 mm. In addition, development of vertical end plate with the size 4x4 cm to the anode into the twisting flow was also constructed. DMFC performance test using variations of the concentration of methanol and ethanol respectively 3%, 5%, 7% and 9% was observed. The best performance was produced by DMFC X with a copper plate as a current collector having power of 6.5 mWatt (voltage of 0.5 volts and the current 13 mA) with methanol concentration of 7%, while for the ethanol produced 3,2 mWatt ( voltage of 0.4 volts and the current 8 mA) at concentration of 5%. The performance by using a stainless steel current collector having power of 4 mWatt (voltage 0.4 volts and the current 10 mA) with methanol concentration of 7%, while for the ethanol produced 5 mWatt (voltage of 0,5 volts and the current 10 mA) at concentration of 5%. Key words: Direct Methanol Fuel Cell, current collector, copper, stainless steel, end plate.
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL LEMBAR PENGESAHAN KATA PENGANTAR .................................................................................. i ABSTRAK .................................................................................................... ii ABSTRACT ................................................................................................... iii DAFTAR ISI ................................................................................................ iv DAFTAR TABEL ........................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR .................................................................................... vii DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ viii
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1.1 Latar Belakang Penelitian ....................................................................... 1.2 Tujuan ..................................................................................................... 1.3 Ruang Lingkup ....................................................................................... 1.4 Metodologi penelitian ............................................................................. 1.5 Sistematika Penulisan .............................................................................. BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... 2.1 Fuel Cell ................................................................................................ 2.1.1 Sejarah Fuel Cell ........................................................................... 2.1.2 Perkembangan Fuel Cell ............................................................... 2.1.3 Prinsip Kerja Fuel Cell .................................................................. 2.2 Jenis - jenis Fuel Cell ............................................................................... 2.2.1 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) ............................................... 2.2.1.1 Perkembangan DMFC ...................................................... 2.2.1.2 Prinsip Kerja DMFC ........................................................ 2.2.1.3 Komponen Penyusun DMFC ............................................ 2.2.1.4 Kinerja DMFC ................................................................. 2.2.1.5 Efisiensi DMFC ............................................................... 2.2.2 Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) .................................................. BAB III METODOLOGI PENELITIAN .................................................. 3.1 Tahap Persiapan ....................................................................................... 3.2 Tahap Pelaksanaan ................................................................................... 3.2.1 Tahap Perancangan ........................................................................ 3.2.2 Tahap Pembuatan Komponen ......................................................... 3.2.3 Tahap Perakitan ............................................................................. 3.2.4 Tahap Pengaktifan Membran pada DMFC GasHub ....................... 3.3 Tahap Pengujian Kinerja DMFC .............................................................. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................... 4.1 Tahap Perancangan .................................................................................. 4.2 Tahap Pembuatan dan Penyiapan Komponen DMFC .............................. 4.3 Tahap Perakitan DMFC ........................................................................... 4.4 Tahap Pengujian Kinerja DMFC .............................................................. 4.4.1. Uji Kinerja DMFC GasHub .......................................................... 4.4.2 Kinerja DMFC Hasil Penelitian ....................................................
1 1 3 3 4 5 6 6 6 7 8 9 14 15 16 18 21 23 24 26 26 26 27 27 27 27 27 29 29 32 33 33 33 36
4.4.2.1 Pengaruh Konsentrasi Metanol dan Etanol Terhadap Daya yang Dihasilkan DMFC .................................................... 4.4.2.2 Pengaruh Current Collector Terhadap Daya yang Dihasilkan DMFC ........................................................... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................... 5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 5.2 Saran ..................................................................................................... DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... LAMPIRAN .......................................................................................
36 39 43 43 43 44 47
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Komponen Penyusun Fuel Cell .................................................... 13
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Fuel Cell ...................................................................... 8 Gambar 2.2 Skema AFC ............................................................................. 10 Gambar 2.3 Skema PEMFC ........................................................................ 10 Gambar 2.4 Skema proses PAFC ................................................................ 11 Gambar 2.5 Skema MCFC .......................................................................... 11 Gambar 2.6 Skema proses SOFC ................................................................ 12 Gambar 2.7 Struktur rangkaian PEM Fuel Cell ........................................... 12 Gambar 2.8 Mekanisme Reaksi DMFC ...................................................... 16 Gambar 2.9 Nafion (asam poliperfluoro sulfonat ionomer) .......................... 20 Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Fuel Cell ................................................ 21 Gambar 2.11 Fleksibilitas Kondisi Operasi Bergantung pada Parameter Sel 23 Gambar 2.12 Skema Proses DEFC ............................................................. 24 Gambar 4.1 Desain End Plate pada Sisi Katoda .......................................... 29 Gambar 4.2 Desain End Plate pada Sisi Anoda ........................................... 29 Gambar 4.3 Desain Current Collector ........................................................ 30 Gambar 4.4 Desain Tiga Dimensi current collector .................................... 31 Gambar 4.5 Desain Gasket Silikon ............................................................. 31 Gambar 4.6 Desain Tiga Dimensi Gasket Silikon ....................................... 31 Gambar 4.7 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC GasHub dengan Variasi Konsentrasi Metanol ................................................... 34 Gambar 4.8 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC GasHub dengan Variasi Konsentrasi Etanol ................................................... 34 Gambar 4.9 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC X dengan Variasi Konsentrasi Metanol Menggunakan Current Collector Stainless Steel .......................................................... 36 Gambar 4.10 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC X dengan Variasi Konsentrasi Etanol Menggunakan Current Collector Stainless Steel ....................................................... 37 Gambar 4.11 Kurva Hubungan Daya Terhadap Waktu pada Konsentrasi Metanol 7% .......................................................................... 39 Gambar 4.12 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC X dengan Variasi Konsentrasi Metanol Menggunakan Current Collector Tembaga ............................................................... 40 Gambar 4.13 Kurva Daya Terhadap Waktu pada DMFC X dengan Variasi Konsentrasi Etanol Menggunkan Current Collector Tembaga ............................................................... 41
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A : Prosedur Percobaan ................................................................ 47
Lampiran B : Data Percobaan dan Pengolahan Data ..................................... 49 Lampiran C : Gambar Alat dan Hasil ........................................................... 70
Lampiran D : Form Usulan Revisi ................................................................ 73
DAFTAR PUSTAKA
Abe, Jonathan dkk. 2002. Toward a Renewable Supply : The Use of Bio-Based
Fuels in Stationary Fuel Cell (jurnal online). (Desember 2011). 2011. Fuel Cell di Tengah Krisis Energi Dunia. (online). Tersedia : Amin. http//m-amin.com. (Diakses tanggal 23 Desember 2011)..
Anonym. Direct Methanol Fuel Cell. (online). Tersedia : http//en.wikipedia.org. (Diakses tanggal 23 Desember 2011). Anonym.
2012.
Gas
Diffusion
Layer.
(online).
Tersedia
:
http://www.gashub.com.sg. (Diakses tanggal 27 Juni 2012). Anonym.
2012.
Membrane
Electrode
Assembly.
(online).
Tersedia
:
http://www.gashub.com.sg. (Diakses tanggal 27 Juni 2012). Costa, Mayara Carantino. 2012. Effect of Dye Structure and Redox Mediators on Anaerobic Azo and Anthraquinone Dye Reduction. (online). Tersedia:
http://www.scielo.br. (Diakses tanggal 27 Juni 2012). Dohle, H. 2003. Interaction between the Diffusion Layer and the Flow Field of Polymer Electrolyte Fuel Cells
Experiments and Simulation Studies
(Jurnal Internasional). Tersedia : http//www.elsevier.com. (Diakses tanggal
11 Januari 2012). EG&G
Servicess
Parsons,
Inc.
2000.
Fuel
Cell
Handbook
(fifth
edition).Mergantown: US. Department of Energy.
EG&G Servicess Parsons, Inc. 2004. Fuel Cell Handbook (seventh edition). Mergantown: US. Department of Energy. Feng Sung, Min. 2011. Design and Fabrication of Light Weight Current Collector for
DMFC
(Jurnal
Internasional).
(online).
Tersedia
:
http//www.elsevier.com. (Diakses tanggal 6 Maret 2011) Gharini, Khaniska Ridha dan Setiyo Rini. 2008. Pembuatan Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) dan Pengujian Kinerja DMFC pada Berbagai Konsentrasi Metanol. Bandung: Politeknik Negeri Bandung. Gojkovic, S. Lj dkk. 2003. Kinetic Study of Methanol Oxidation on Carbon-Supported PtRu Electrocatalyst. (Online). Tersedia: http//www.sciencedirect.com (Diakses
tanggal 27 Juni 2012)
44
Handayani, Sri. 2008. Membran Elektrolit. Jakarta : Fakultas Teknik Universitas
Indonesia.
Hart, David
Fuelcell: Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
http// www.e-sources.com. (Diakses tanggal 5 Juli 2012)
Hasan, Achmad. 2007. Aplikasi Sistem Fuel Cell Sebagai Energi Ramah Lingkungan di Sektor Transportasi dan Pembangkit . Jakarta: Jurusan Teknik Lingkungan.
Ladelta, Viko. 2007. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC): Baterai Laptop tanpa Charger. (Online). Tersedia: http://www.chem-is-try.org. (Diakses Januari 2012) Lamy. C. 2004. Recent Progress in The Direct Ethanol Fuel Cell: Development of New Platinum Tin Electrocatalysts (Jurnal Internasional). (Online). Tersedia: http//www.electacta.com. (Diakses tanggal 14 Juni 2012)
No name. 2009. Direct Ethanol Fuel Cell. (Online). Tersedia: http//en.fcc.gov.ir/Directethanolfuelcell.aspx qin. (Diakses tanggal 7 Juli 2012) No name. 2010. Direct Methanol Fuel Cell. (Online). Tersedia: http//www.mechinehistory.com. (Diakses tanggal 23 Desember 2011)
Nugraha, Intan dan Zulfikar Matin. 2010. Optimalisasi Pembuatan MEA untuk Sistem DMFC dengan Metode Pelapisan Katalis Screen Printing dan Desain end-plate Horizontal. Bandung: Politeknik Negeri Bandung.
Rousseau, S. 2006. Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC): Electrical Performances And Reaction Products Distribution Under Operating Conditions With Different Platinum-Based Anodes (Jurnal Internasional). (online). Tersedia:
http//www.elsevier.com. (Diakses tanggal 14 Juni 2012) Spiegel, Collen. 2007. Designing and Building Fuel Cells. USA : McGraw-Hill Companies. Suhada, Hendrata. 2001. Fuel Cell sebagai Penghasil Energi Abad 21 (jurnal online). Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri -Universitas Kristen Petra. Tersedia: http//puslit.petra.ac.id/journals/mechanical/ Thomas, http// www.igb.fraunhofer.de. (Diakses tanggal 14 Juni 2012) Troskialina, Lina. 2007. Rancang Bangun Alat Direct Methanol Fuel Cell untuk Laboratorium Satuan Proses. Bandung: Jurusan Teknik Kimia Politeknik
Negeri Bandung.
45
Troskialina, Lina. 2008. Sel Bahan Bakar Metanol (Direct Methanol Fuel Cell) .
Bandung: Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung.
Wahyu, Haifa dkk. 2004. Aplikasi MEA Hydrogen SPFC untuk Direct Methanol Fuel Cell. Bandung : Pusat Penelitian Fisika LIPI. (Diakses tanggal 22 Mei 2012) Xhu Q,dkk. 2010. A flow field enabling operating direct methanol fuel cells with highly concentrated methanol (Jurnal Internasional). (online). Tersedia:
http//www.elsevier.com. (Diakses tanggal 14 Juni 2012) Zhang, Bo,dkk. 2010. Development and performance analysis of a metallic micro-direct
methanol fuel cell for high-performance applications (Jurnal Internasional).
(online). Tersedia: http//www.elsevier.com. (Diakses tanggal 14 Juni 2012)
46
