Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 27, Mei 2010
Pengaruh Tekanan Hot Press terhadap Karakter Pelat Bipolar PEMFC BAMBANG PRIHANDOKO Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia E-MAIL :
[email protected]
YUNITA SADELI DAN DESTO WAHYU NOVIANTO Departemen Teknik Metalurgi dan Material, FT – UI, Kampus Depok, Jabar INTISARI : Penelitian ini bertujuan mengembangkan pelat bipolar karbon-polimer komposit sehingga dapat mereduksi densitas dan biaya PEM fuel cell. Pelat bipolar karbon-polimer komposit dibuat dengan metode compression moulding menggunakan alat hot press. Serbuk grafit EAF (Electric Arc Furnace) dan carbon black dicampurkan dengan resin epoksi sebagai bahan matrik, yang berkomposisi 80:20. Carbon black dibuat melalui proses karbonisasi sabut kelapa sawit sebagai bahan baku pada temperatur 600°C selama 10 jam dalam kondisi inert. Perbandingan carbon black dan EAF adalah 10:90. Komposit dicetak pada temperatur 70°C selama 4 jam di bawah kondisi penekanan 300 kg/cm2, 350 kg/cm2, 400 kg/cm2, dan 450 kg/cm2. Hasil peningkataan tekanan hot press memberikan pengaruh pada karakter pelat bipolar. Porositas menurun, sedang densitas dan kekuatan fleksural meningkat. Karakteristik kekuatan fleksural tertinggi senilai 14,80 Mpa. KATA KUNCI : PEMFC, Pelat Bipolar, EAF, hot press, epoksi. ABSTRACT : This research aims to develop bipolar plate carbon-polymer composites in order to reduce density and cost of PEM fuel cell. Carbon-polymer composite of bipolar plate was prepared by compression molding method using a hot press. Graphite powder EAF (Electric Arc Furnace) and carbon black is mixed with epoxy resin as matrix material, which is composition of 80:20. Carbon black is made through a process of carbonization of coconut oil as a raw material at a temperature of 600 ° C for 10 hours in an inert condition. Comparison of carbon black and the EAF is 10:90. Composite printed at a temperature of 70 ° C for 4 hours under conditions of pressure 300, 350, 400, and 450 kg/cm2. Results by increase pressure of hot press give effect to the character of bipolar plates. Porosity decreases, while the density and flexural strength increases. The highest flexural strength is 14.80 MPa. KEYWORDS : PEMFC, bipolar-plate, EAF, hot press, epoxy
1 PENDAHULUAN Salah satu solusi yang saat ini tengah dikembangkan merupakan suatu energi alternatif yang memiliki potensi yang baik untuk masa depan yaitu fuel cell. Energi alternatif ini dapat diaplikasikan untuk memenuhi kebutuhan manusia akan energi serta diharapkan dapat menjadi pengganti sumber energi fosil yang semakin menipis cadangannya. Penggunaan fuel cell ini juga diharapkan dapat meminimalisasi emisi yang dihasilkan sehingga dapat mencegah efek dari pemanasan global dan kelestarian bumi akan tetap terjaga. Fuel cell merupakan suatu perangkat yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar untuk menghasilkan elektron, proton, panas, dan air [1]. Salah satu jenis fuel cell yang potensial digunakan sebagai fuel cell vehicle (FCV) adalah PEMFC [2]. Hal tersebut dikarenakan PEMFC memiliki efisiensi relatif tinggi (±60%), startup relatif cepat, dan temperatur operasi rendah (±80°C) [3]. Selain itu PEMFC beroperasi berdasarkan prinsip elektrokimia dengan produk reaksi berupa air yang bersifat rendah emisi. Berikut ini adalah reaksi elektrokimia dalam suatu sistem operasi PEMFC. Anoda : Katoda : Total : :
H2 → 2H+ + 2e½O2 + 2e- + 2H+ → H2O H2 + ½O2 → H2O (l)
(1) (2) (3)
Komponen utama pada PEMFC di Gambar 1 yaitu Membrane Electrode Assembly (MEA), pelat bipolar, pelat penutup, dan pengumpul arus[4]. Salah satu dari keempat komponen tersebut, yaitu pelat bipolar, merupakan 80% dari total volume, 70% dari total berat, dan 60% dari total biaya produksi pada perangkat PEMFC[5]. Perkembangan PEMFC saat ini mengarah pada rekayasa material penyusun komponen utamanya, yaitu pelat bipolar. Pelat bipolar berperan dalam mengalirkan gas reaktan dan oksidan, mengalirkan elektron dari anoda menuju katoda serta mendistrbusikan air dan panas reaksi [6]. Penurunan massa serta biaya produksi pembuatan pelat bipolar akan meningkatkan nilai efisiensi dan nilai ekonomis dari PEMFC.
28
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 27, Mei 2010
Gambar 1. Stack PEMFC dan bagian komponennya Oleh karena itu pada penelitian ini digunakan karbon-polimer komposit sebagai bahan utama pembuat pelat bipolar. Pemanfaatan pelat bipolar jenis ini berpotensi mereduksi biaya produksi PEMFC hingga senilai 15-29%, menurunkan densitas, dan meningkatkan durabilitas [7]. Konstituen komposit yang digunakan berupa polimer epoksi sebagai matriks serta grafit EAF serta carbon black hasil karbonisasi sabut kelapa sebagai bahan penguat. Selanjutnya variasi tekanan compression moulding diberikan untuk mendapatkan pelat bipolar dengan sifat optimum.
2. METODOLOGI/EKPERIMEN Persiapan bahan carbon black menggunakan metoda pyrolisa serabut kelapa sawit. Proses karbonisasi ini dilakukan dengan pemanasan pada suhu 4000C selama 1 jam dalam kondisi dialiri gas nitrogen. Karbon yang dihasilkan kemudian dihaluskan dan menjadi bahan carbon black. Carbon black ini dicampurkan sebagai bagian dari filler sebesar 10%wt terhadap jumlah bahan serbuk EAF. Perbandingan bahan filler dan matrik adalah 80:20. Epoxy digunakan sebagai bahan matrik dan mempunyai perbandingan dengan hardenernya 1:1. Pencampuran dilakukan dengan metoda mixing biasa yang menggunakan alat mixer adonan kue. Bahan campuran komposit ini berbentuk butiran dan dituang ke dalam cetakan yang berukuran 15cm x 15cm x4mm. Selanjutnya dengan metoda hot pressing pada temperatur 70oC dengan menggunakan variasi tekanan selama 4 jam lalu didiamkan selama 12 jam, pelat bipolar dibuat. Waktu proses dan waktu diam ini merupakan faktor penting terhadap baik tidaknya pelat bipolar yang dihasilkan. Tekana Hot press divariasikan sebesar 300, 350, 400 dan 450 kg/cm2. Apabila waktu proses tidak sesuai, pelat bipolar akan mengalami perubahan dimensi berupa ketebalan yang tidak merata dan pelengkungan yang nantinya akan menyulitkan didalam preparasi sampel untuk pengujian karakteristik yang akan dilakukan [8,9]. Pelat bipolar akan dibuatkan menjadi beberapa sampel uji untuk melakukan karakterisasi, seperti densitas, porositas, flexure test dan konduktifitas menurut ukuran yang dipersyaratkan. Densitas diuji menurut metoda Archimedes ASTM D792 [10], sedangkan Porositas dengan metoda ASTM C20 [11]. Flexure test dilakukan dengan metoda ASTM D780 [12]. Konduktifitas diukur dengan metoda four point probe [13].
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Densitas Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui massa jenis dari pelat bipolar. Diketahui bahwa densitas akan mempengaruhi massa dari suatu benda. Pada pemanfaatan pelat bipolar untuk aplikasi FCV diharapkan nilai densitas rendah sehingga didapati massa yang ringan. Massa yang ringan akan meningkatkan efisiensi 29
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 27, Mei 2010
dari kendaraan. Namun semakin kecil densitas maka sifat mekanis dan konduktivitas listrik mengalami kecenderungan penurunan. Hasil pengujian densitas dapat dilihat di Tabel 1 dan Gambar 1. Tabel 1. Hasil pengukuran densitas
Gambar 2. Pengaruh Tekanan hot press Terhadap Densitas Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa tidak didapati perbedaan signifikan akibat variasi tekanan pencetakan. Namun tetap terlihat kecenderungan peningkatan densitas akibat pengaruh peningkatan tekanan [8,14]. Hal ini dibuktikan dengan perolehan nilai densitas antara 1,73 gr/cm3 - 1,77 gr/cm3. Perbedaan nilai densitas ini diketahui terjadi karena mekanisme pemadatan oleh tekanan disertai temperatur selama pencetakan [8]. Pengaplikasian temperatur akan menguapkan metanol yang berfungsi sebagai pelarut resin epoksi dan hardener. Selain itu selama pemanasan terjadi pembentukan struktur jaring silang (cross-linked structure) polimer yang rapat disertai terperangkapnya pori hasil penguapan metanol. Pengaplikasian tekanan akan semakin merapatkan jarak ikatan dan mendesak keberadaan pori. Pemadatan ini berpengaruh terhadap penurunan ketebalan dan peningkatan densitas pelat bipolar yang terbentuk. 3.2 Porositas Porositas merupakan rongga yang terbentuk dalam suatu material akibat pengaruh senyawa gas. Gas ini umumnya berasal dari luar sistem (uap air dan gas) ataupun dari dalam sistem (bagian komposisi bahan yang dapat menguap) yang terbentuk selama pembentukan material tersebut. Dalam pembuatan pelat bipolar karbon-polimer komposit, kehadiran porositas tidak dapat dihindari. Namun apabila jumlah porositas terlalu banyak maka dapat mempengaruhi efisiensi sistem fuel cell karena reaksi sel dapat terganggu oleh kehadiran gas yang terdistribusi melalui pori. Oleh karena itu diharapkan persentase porositas pada pelat bipolar senilai kurang dari 1%. Pada Tabel 2 di bawah ini ditunjukkan hasil pengujian porositas keempat sampel. Tabel 2. Hasil pengukuran porositas
Pada Gambar 3 ditunjukkan pengaruh tekanan compression moulding terhadap porositas dari pelat bipolar. Terlihat kecenderungan penurunan persentase porositas seiring meningkatnya nilai tekanan. Mekanisme pemadatan berpengaruh terhadap penurunan tersebut seiring pemberian tekanan pada temperatur 70°C [8]. Pemadatan meningkatkan kerapatan massa dan menekan keberadaan pori. Nilai persentase porositas dari pengujian berada pada kisaran nilai 1,26% - 1,67%. Nilai tersebut lebih besar dari standar nilai porositas. Hal ini kemungkinan terjadi karena pengaruh carbon black yang memiliki struktur berpori [15, 16]. 30
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 27, Mei 2010
Apabila carbon black dikomposisikan berlebih maka porositas meningkat akibat pori tidak terisi oleh matriks secara merata.
Gambar 3. Pengaruh Tekanan hot press Terhadap Porositas 3.3 Fleksural Berdasarkan Gambar 5 terlihat peningkatan kekuatan fleksural seiring peningkatan tekanan hot press. Peningkatan kekuatan fleksural merupakan efek dari pemadatan yang menghasilkan penurunan porositas dan membentuk ikatan antarmuka yang kuat. Penurunan porositas meminimalkan initial crack yang terjadi karena pembebanan [17]. Ikatan antarmuka yang kuat menandakan distribusi pembebanan antara matriks dan bahan penguat dapat berjalan baik [18]. Oleh karena itu pelat bipolar dapat menerima pembebanan yang lebih besar sebelum mengalami initial crack dan terjadi perpatahan.
Gambar 4. Pengaruh Tekanan hot press Terhadap Kekuatan Fleksural Hasil kekuatan fleksural dari pelat bipolar minimal senilai 12,54 MPa dan maksimal senilai 14,80 MPa. Nilai tersebut belum memenuhi standar kekuatan fleksural, yaitu senilai 25 MPa. Tidak tercapainya standar dapat dipengaruhi oleh komposisi carbon black. Komposisi carbon black maksimum untuk mendapatkan sifat pelat bipolar komposit yang optimum diketahui senilai 5%[14]. Ketika komposisi bernilai lebih rendah ataupun lebih tinggi dari nilai optimum maka penurunan sifat mekanis dan kelistrikan akan terjadi. Selain itu densitas dari carbon black diketahui lebih rendah dibandingkan grafit EAF. Hal ini berarti carbon black memiliki permukaan kontak yang lebih besar dibanding grafit EAF. Pada satu sisi peningkatan permukaan kontak akan menghasilkan jarak antar karbon yang minimum sehingga ikatan antarmuka meningkat[14]. Namun di sisi lain hal tersebut membuat carbon black bersifat inhomogen (tidak seragam), yaitu cenderung membentuk cluster sehingga tidak terdistribusi merata dalam matriks. Terbentuknya cluster akan melemahkan ikatan antarmuka sehingga menurunkan sifat mekanis pelat bipolar. 3.4. Pembahasan Berdasarkan hasil tersebut dapat dilihat hubungan antara perolehan sifat akhir dengan efek yang diberikan akibat pengaruh parameter pada penelitian ini. Peningkatan tekanan berpengaruh terhadap penurunan jarak antar partikel sehingga menurunkan porositas dan meningkatkan kekuatan antarmuka. Hal 31
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 27, Mei 2010
ini berpengaruh terhadap peningkatan nilai densitas yang dapat ditandai dengan penurunan ketebalan pelat. Ketika diperoleh prositas minimum maka akan didapati nilai kekuatan felksural optimum. Hal ini dikarenakan menurunnya sumber awal retakan yang disebabkan kehadiran pori yang dapat memicu perpatahan akibat pembebanan. Selanjutnya penurunan jarak antar partikel membentuk jembatan kelistrikan yang baik sehingga meningkatkan efisiensi aliran listrik.
4. KESIMPULAN DAN SARAN Pelat bipolar karbon-polimer komposit yang dikomposisikan dari resin epoksi dan kaebon (grafit EAF dan carbon black hasil karbonisasi serat alami) telah dapat dibuat dengan baik menggunakan metode compression moulding pada variasi tekanan 300 kg/cm2 – 450 kg/cm2. Hal ini berarti tahapan komersialisasi dapat dilakukan pada kondisi yang sama dengan hasil sifat fisik pelat bipolar yang baik. Jika kita menganalisa pengaruh peningkatan tekanan hot press terhadap sifat mekanis dan kelistrikan pelat bipolar maka didapati efek peningkatan terhadap sifat tersebut. Peningkatan tekanan telah menurunkan tingkat porositas serta meningkatkan nilai densitas, dan kekuatan fleksural. Nilai densitas terbesar yang diperoleh adalah 1.77 gr/cm3 pada kondisi tekanan 450 kg/cm2 dan nilai porositas adalah 1,26% yang terendah. Nilai kekuatan fleksural adalah 15 Mpa yang tertinggi.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
[10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
32
Rayment, C. Introduction of Fuel Cell Technology Handbook, 2003, Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Notre Dame. Holland, B.J., J.G. Zhu, and L. Jamet. Fuel Cell Technology and Application. Sydney: University of Technology, 2007. Mehta, Viral, and Joyce Smith Cooper. Review and Anaylisis of PEM Fuel Cell Design and Manufacturing. Seattle: University of Washington, 2002. In Uk Hwanga, et al., ed. Bipolar Plate Made of Carbon Fiber Epoxy Composite for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Korea, 2008. Xianguo Li, and Imran Sabir. Review of Bipolar Plates in PEM Fuel Cells: Flow-Field Designs. Canada: University Avenue West, 2004. Xiao Zi Yuan, et al., ed. Bipolar Plates for PEM Fuel Cells - From Materials to Processing. Vancouver: University of British Columbia, 2006 Zhang Jie, Zou Yan-wen, and HE Jun. Influence of Graphite Particle Size and Its Shape on Performance of Carbon Composite Bipolar Plate. Beijing: Tsinghua University, 2005. Suhandi, A et. al., Research on PEMFC Graphite Composite Bipolar Plate Influenced by Composition of Filler and Binder, Proceeding of conference solid state ionic, 2007,Batan Suhandi, A. et al, Study on Graphite Composite as Bipolar Plate Influenced by Heating Temperature, Proceeding the 9 th International Conference on Quality in Research (QiR) IMMEM Vol II, 2006, IMM – 03, 1-4. Density and Spesific Gravity (Relative Gravity) of Plastics by Displacement, ASTM D792, ASTM Handbook Standard Test Methods for Apparent Porosity, ASTM C20, ASTM Handbook Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreiforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM D790, ASTM Handbook Kuan, H.C, et al, Preparation Electrical, Mechanical and Thermal Properties of Composite Bipolar Plate for Fuel Cell, Journal of Power Sources 134, 7-17, 2004. Ling Du. Highly Conductive Epoxy/Graphite Polymer Composite Bipolar Plates In Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cells. 2008. Kakati, Biraj Kumar, and Dhanapati Deka. Effect of Resin Matrix Precursor on the Properties of Graphite Composite Bipolar Plate for PEM Fuel Cell. India: Tezpur UniVersity, 2007. ASM International Comittee. Casting. ASM Metals Handbook Vol. 15. 9th ed. 1988. Callister, William D., Jr. Materials Science and Engineering. 7th ed. United States of America: University of Utah, 2007. ASM International Comittee. Composites. ASM Handbook Vol. 21. 2001.
