PROSPEK PENGGUNAAN DIRECT METHANOL FUEL CELLS (DMFC) DIBANDINGKAN DENGAN HYDROGEN SOLID POLYMER FUEL CELLS (H2 SPFC)

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

PROSPEK PENGGUNAAN DIRECT METHANOL FUEL CELLS (DMFC) DIBANDINGKAN DENGAN HYDROGEN SOLID POLYMER FUEL CELLS (H2 SPFC) Haifa Wahyu, Nenen Rusnaeni, Achiar Oemry Pusat Penelitian Fisika LIPI Kompleks LIPI Jln. Cisitu-Sangkuriang 21/154D Bandung 40135 Telp. 62-22-2507771, 2507773, 2503052 Fax. 62-22-2503050 Email. [email protected]

Abstrak Makalah ini mengemukakan kemungkinan keberhasilan aplikasi direct methanol fuel cell dibandingkan dengan hydrogen solid polymer fuel cell berdasarkan eksperimen terhadap DMFC dan studi literatur. Terlihat bahwa DMFC mempunyai beberapa kemudahan dibandingkan dengan H2 SPFC karena strukturnya yang lebih sederhana dan biaya operasi yang lebih murah dengan penggunaan umpan larutan methanol. Dari sisi lain, DMFC mempunyai densitas power yang lebih rendah dibandingkan H2 SPFC, dan juga sifat korosif dan beracun dari methanol berpotensi untuk menghambat perkembangan aplikasi massal. Untuk aplikasi di Indonesia, keduanya mempunyai prospek yang baik jika dilihat dari suplai bahan bakar (umpan) yang menggunakan gas alam yang banyak terdapat di Indonesia. Dari segi teknologi, Indonesia masih jauh ketinggalan, dan harus dilakukan usaha-usaha yang intensif untuk mengejar ketinggalan tersebut, baik DMFC maupun H2 SPFC. Pendahuluan Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) saat ini memperoleh perhatian yang lebih besar untuk aplikasi sel bahan bakar pada kendaraan bermotor dibandingkan dengan Hydrogen Solid Polymer Fuel Cell (H2 SPFC) karena kemudahan struktur sistem DMFC untuk aplikasi on-board. Uji coba pada kendaraan bermotor telah dilakukan oleh perusahaan mobil seperti Daimler-Benz dan Toyota. Penggunaan methanol sebagai bahan bakar fuel cell cenderung lebih mempunyai prospek dibandingkan dengan gas alam, karena beberapa keuntungan yang dipunyainya, seperti penggunaan langsung dan penyediaan methanol yang tidak terlalu rumit. Selain untuk mobil, Toshiba juga telah mengembangkan prototipe power supply menggunakan DMFC untuk telepon genggam dan komputer notebook dengan kapasitas power antara 12 – 20 W yang dapat beroperasi selama 5 jam untuk larutan methanol konsentrasi tinggi 50 cc dan 10 jam untuk larutan methanol 100 cc. Makalah ini membahas tentang studi sistem sel bahan bakar dengan umpan metanol ukuran 50 mW serta prospek penggunaan direct methanol fuel cells di Indonesia. Latarbelakang Teknis 1. Hydrogen solid polymer fuel cell (H2 SPFC) dan direct methanol fuel cell (DMFC) menggunakan divais elektroda dan elektrolit yang sama yaitu karbon dengan katalis Platinum dan membran polimer yang dapat mentransfer proton. Perbedaannya adalah pada penggunaan umpan (bahan bakar), dimana DMFC menggunakan larutan metanol langsung sebagai bahan umpan untuk menghasilkan listrik tanpa harus menggunakan reformer. Sedangkan aplikasi H2 SPFC yang menggunakan umpan gas alam, harus memakai reformer untuk menghasilkan hidrogen yang akan dipakai didalam sel. 2. Metanol mempunyai rumus kimia CH3OH yang mempunyai sifat-sifat tidak berwarna, jernih dan mudah menguap yang terbukti dapat digunakan sebagai bahan bakar didalam motor bakar pengganti BBM pada sektor transportasi. Kendaraan berbahan bakar metanol telah digunakan secara komersial dalam lingkup terbatas, terutama Amerika Serikat. Metanol dapat dibuat dengan cara distilasi bahan baku yang mengandung karbon seperti biomassa. Selain untuk motor bakar, metanol dapat diaplikasikan sebagai bahan umpan sel bahan bakar berbasis polimer yang saat ini diminati oleh produser barang-barang elektronik dan mobil. Sifat-sifat yang terdapat didalam fuel cell membuat DMFC mempunyai prospek lebih baik sebagai alternatif pengganti baterai dan mesin kalor. Perbedaan mekanisme reaksi didalam sel bahan bakar polimer dengan umpan hidrogen atau hydrogen solid polymer fuel cell (H2 SPFC) dibahas dalam uraian berikut.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-1

Hydrogen Solid Polymer Fuel Cell (H2 SPFC) Reaksi utama didalam H2 SPFC adalah sebagai persamaan berikut:

1 H 2 + O2 → H 2 O + e + 2 Energi listrik diperoleh dari konversi energi yang terdapat didalam ikatan kimia zat-zat umpan (reaktan), hidrogen dan oksigen. Reaksi konversi hidrogen melibatkan transfer elektron dari suatu reaktan ke reaktan lainnya yang disebut juga dengan reaksi REDOX (reduksi-oksidasi). Reaksi reduksi adalah reaksi dimana reaktan memperoleh tambahan elektron dan reaksi oksidasi adalah reaksi dimana reaktan kehilangan elektron. Reaksi pada anoda:

H 2 → 2 H + + 2e − Reaksi pada katoda:

O 2 + 4e − + 4 H + → 2 H 2 O Isu utama yang menjadi permasalahan dalam aplikasi H2 SPFC muncul ketika umpan yang digunakan merupakan hidrogen hasil reformasi gas alam. Proses reformasi hidrokarbon dapat menghasilkan gas CO yang bersifat ketakmurnian yang dapat mengganggu performa katalis karena CO mempunyai sifat keterikatan pada katalis Pt (Platinum) sehingga dapat memblokir permukaan katalis. Walaupun katalis dapat dibersihkan dari CO, kontaminasi CO serendah 10 ppm pun akan mempercepat degradasi hasil performa dari SPFC. Secara teoritis efisiensi sebesar 90 % dapat dicapai dalam fuel cell yang diperlihatkan dalam persamaan reaksi berikut, sedangkan mesin kalor hanya 25 %. Persamaan reaksi (2) menunjukkan jumlah kerja yang dihasilkan oleh reaksi kimia netto didalam suatu fuel cell hidrogen dengan menggunakan hasil reformasi gas alam.

CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2 O ∆Go = −817.9kJ / mol ∆H o = −892.4kJ / mol Perbedaan antara perubahan entalpi dan energi bebas Gibbs kira-kira 75 kJ/mol, yang sama dengan kehilangan panas teoritis. Dalam aplikasinya efisiensi teoritis tidak mungkin dicapai karena kondisi ketidakidealan umpan-umpan yang dipakai. Dengan adanya reformer ini, sistem menjadi lebih rumit dengan ukuran yang lebih besar. Selain isu kontaminasi CO pada katalis, isu lain yang juga penting adalah pengelolaan panas didalam stack. Reaksi elektrokimia didalam SPFC menghasilkan energi yang muncul dalam bentuk listrik dan termal. Jumlah panas yang harus dibuang kira-kira 60 % dari jumlah keluaran, dan untuk menghilangkannya harus digunakan pendingin. Jika ukuran stack kecil, dapat digunakan pendinginan udara langsung, tetapi jika ukuran stack besar, maka diperlukan pendingin cair dengan panas jenis yang relatif tinggi. Hal lain yang juga perlu mendapat perhatian adalah sistem pengelolaan air dan humidifikasi. Untuk stack ukuran besar, elektrolit membran dapat mengalami distribusi air atau kelembaban yang tidak homogen. Didalam suatu sistem sel bahan bakar, transportasi air melalui elektrolit terjadi dengan proses difusi, elektroosmosis dan permeasi hidrolik karena perbedaan tekanan antara anoda dan katoda. Kekeringan dapat terjadi didaerah bagian inlet yang temperaturnya tinggi, kondisi ideal terdapat didaerah ditengah sel, sedangkan kelebihan air terjadi pada daerah outlet. Kelebihan air kemungkinan besar didaerah katoda yang menyebabkan akses oksigen kedalam sel jadi terhambat. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Fuel cell yang menggunakan umpan metanol secara langsung mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan H2 SPFC, diantaranya adalah tidak adanya reformer sehingga mengurangi jumlah peralatan tambahan didalam suatu sistem fuel cell menyebabkan struktur yang lebih sederhana. Fuel cell yang menggunakan metanol ini terdiri dari dua jenis yaitu fuel cell metanol tak langsung (Indirect Methanol JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-2

Fuel Cell) dan fuel cell methanol langsung (Direct Methanol Fuel Cell). Saat ini riset-riset lebih difokuskan pada DMFC dibanding yang satunya karena kemudahan struktur sistem. Umpan yang dipakai untuk DMFC adalah larutan metanol didalam air dengan konsentrasi 0.5-2 molar yang dimasukkan lewat anoda. Katalis Pt didalam sel akan mengubah metanol menjadi hidrogen secara elektrokimia sehingga terbentuk aliran listrik sebagai output. Reaksi netto antara metanol dan oksigen didalam sel ditunjukkan dalam persamaan berikut:

3 CH 3 OH + O2 → CO2 + 2 H 2 O 2 Reaksi pada anoda ditunjukkan dalam persamaan berikut:

CH 3 OH + H 2 O → CO2 + 6 H + + 6e − Reaksi pada katoda:

3 6 H + + 6e − + O2 → 6 H 2 O 2 Dengan adanya proses reformasi metanol internal didalam sel pada suhu rendah menyebabkan DMFC mempunyai densitas power yang lebih rendah dibandingkan dengan H2 SPFC pada kondisi yang sama. Namun demikian, kelebihan yang dimiliki oleh DMFC berikut dapat mengatasi kekurangan diatas diantaranya: • Aliran pada anoda terdiri dari cairan sehingga tidak diperlukan pendinginan dan humidifikasi yang terpisah. • Kebutuhan pompa berkurang karena penggunaan umpan cair pada anoda, bahkan pada beberapa aplikasi tidak digunakan pompa sama sekali, transportasi reaktan hanya bergantung pada aksi kapiler, buoyancy dan difusi. • Cairan umpan yang digunakan menghilangkan masalah penggunaan reformer atau storage hidrogen pada alat transportasi. Jadi secara total, dengan berkurangnya kompleksitas sistem, densitas power pada DMFC akan dapat menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan H2 SPFC. Disamping keuntungan-keuntungan itu, penggunaan methanol mempunyai sisi negatif, yaitu sifat beracun metanol yang dapat mencemari air tanah, nyala yang tak berwarna dan lebih korosif dibandingkan bensin. Hal ini merupakan potensi yang dapat menghambat penggunaan direct metanol fuel cell secara massal. Dari beberapa studi yang dilakukan oleh sekelompok peneliti[1], uji performa DMFC menunjukkan bahwa faktor-faktor yang mempengaruhi sistem secara teknis terdiri dari: • Manajemen air • Pelintasan methanol dari anoda ke katoda (methanol crossover) • Manajemen transportasi dua fase pada anoda • Rugi-rugi akibat aktivitas polarisasi dan pembebanan katalis Walaupun humidifikasi tidak diperlukan untuk DMFC, namun pembentukan air yang berlebih pada katoda dapat terjadi jika terjadi pelintasan methanol dari anoda ke katoda sehingga terjadi reaksi oksidasi pada katoda. Jika hal ini terjadi, gradien aktivitas air menjadi nol dan difusi melalui elektrolit akan terhenti. Untuk mencegah terjadinya hal ini, diperlukan sistem pembuangan air dari katoda. Disamping itu, elektrolit yang dipakai haruslah yang dapat mencegah terjadinya pelintasan tersebut, sehingga mempunyai ketebalannya lebih besar dari yang dipakai untuk H2 SPFC. DMFC menggunakan Nafion 117 (ketebalan 178 µm), sedangkan H2 SPFC menggunakan Nafion 112 yang ketebalannya sepertiga dari Nafion 117. Studi sistem DMFC 50 mW Mekanisme reaksi didalam SPFC secara skematik dapat dilihat dalam gambar berikut (Gb. 1).

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-3

Bipolar plate terkoneksi pada sel

Lapisan difusi SPFC

Elektrolit

Reaksi Anoda

CH 3OH + H 2 O → CO2 + 6 H + + 6e −

Lapisan elektroda /katalis

Alur aliran

Reaksi Katoda 6H

+

+ 6e − +

3 O 2 → 6 H 2O 2

Gb. 1 Mekanisme reaksi didalam SPFC dengan umpan larutan methanol Percobaan dilakukan dengan menggunakan suatu DMFC kit dengan spesifikasi teknis berikut: Luas elektroda 16 cm2 Voltase 300 – 500 mV DC Power 50 mW Umpan larutan methanol 3 %

Gb. 2 DMFC demo kit 50 mW (h-tec product)

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-4

Hasilnya ditunjukkan dalam Gb. dimana sel tersebut berjalan pada output konstan selama 30 jam terus menerus dengan konsentrasi awal larutan methanol 3 %. Output terlihat menurun setelah lebih dari 30 jam dan berhenti sama sekali ketika waktunya mencapai 36 jam.

Performa DMFC 50 mW 500 400 I V W

300 200 100 0 1

4

7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 Waktu Gb. 3 Performa DFMC 50 mW

Prospek Aplikasi DMFC di Indonesia Perkembangan teknologi DMFC masih terus berlangsung dalam upaya mengatasi kekurangankekurangan dari segi teknis yang terdapat dalam DMFC. Proses DMFC yang menggunakan proses reformasi internal menimbulkan fenomena baru dari segi disain dan transportasi cairan didalam sel. Perubahan disain diperlukan untuk mengatasi pelintasan metanol dari anoda ke katoda, proses difusi, elektro osmotik drag dan permeasi hidrolik akibat perubahan tekanan antara katoda dan anoda. Didalam DMFC proses difusi ini lebih kritikal dibandingkan dengan H2 SPFC karena dapat menyebabkan kelebihan produksi air pada katoda yang akan menimbulkan gradien nol. Untuk memahami karakteristik DMFC secara lebih jauh, diperlukan ilmu transportasi dan dinamika fluida supaya fenomena yang terjadi dapat dijabarkan secara detil. Dengan berkembangnya DMFC menjadi mikro DMFC, maka aplikasi ilmu tersebut dalam disain dan rancangan sistem menjadi lebih krusial. Topik utama dalam riset DMFC adalah simulasi aliran didalam SPFC yang dapat dilihat dalam makalah-makalah berikut ini[2,3,4,5,6,7,8]. Dari segi suplai methanol, Indonesia memproduksi methanol sebanyak 990,000 MT/tahun yang diekspor ke Asia terutama Jepang. Methanol diproduksi dari gas alam di PT Kaltim Methanol Industry Bontang dengan kapasitas 660,000 MT/tahun dan Pulau Bunyu (Medco Energi) dengan kapasitas 330,000 MT/tahun. Saat ini methanol digunakan sebagai bahan baku dalam industri petrokimia. Ladang gas alam Natuna mempunyai prospek sebagai penghasil methanol jika hasil samping gas CO2 berhasil dikonversi menjadi methanol melalui proses reformasi dan hidrogenasi. Dari uji coba diatas, secara kasar biaya operasional DMFC jauh lebih murah dibandingkan dengan H2 SPFC. Kesimpulan Teknologi DMFC dan H2 SPFC masih dalam perkembangan dan masing-masing mempunyai kelebihan dan kekurangan yang masih perlu diperbaiki. Indonesia mempunyai sumberdaya alam yang berlimpah untuk aplikasi direct methanol fuel cell dan hydrogen SPFC secara komersial. Namun masih diperlukan usaha-usaha yang terus menerus dan terintegrasi dalam upaya penguasaan teknologi kedua jenis fuel cell tersebut. Dari segi teknis, Indonesia jauh ketinggalan dibandingkan dengan negara-negara yang saat ini secara intensif mengembangkan fuel cell seperti USA, Eropa dan Jepang. Keterlibatan Indonesia dalam pengembangan fuel cell secara umum atau DMFC secara khusus memerlukan pengetahuan yang mendalam tentang material dan engineering yang menjadi inti dari teknologi fuel cell baik DMFC maupun H2 SPFC. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah menyediakan dana penelitian DIP untuk kegiatan tersebut diatas. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-5

Referensi 1.

2. 3. 4. 5. 6. 7.

8.

Mench, M.M, Wang, C.Y., and Thynell, S.T., (2000), An Introduction to Fuel Cells and Related Transport Phenomena, Technical Report, Dept. Of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, USA. Um,S., Wang,C.Y., and Chen,K.S., (2000), Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, J. Of the Electrochemical Society, 147 (12) 4485-4493. Mench,M.M., Wang,Z.H., Bhatia, K. And Wang, C.Y., (2001), Design of A Micro Direct Methanol Fuel Cell (µDMFC), Proceedings of the IMECE’01, Int. Mech. Eng. Congress and Expo., New York. Mench,M.M., Scott,J., Thynell,S., and Wang,C.Y., (2001), Direct Methanol Fuel Cell Experimental and Model Validation Study, Meeting of the Electrochem. Soc., San Franncisco, California. Wang,Z.H. and Wang,C.Y., (2001), Mathematical Modeling of Liquid-Feed Direct Methanol Fuel Cells, Proceedings of Direct Methanol Fuel Cell Symp., 199th, Electrochem. I. Soc., Washington DC. Argyropoulos,P.,Scott,K., and Taama,W.M., (1999), Pressure drop modelling for liquid feed direct methanol fuel cells, Part I. Model development, Chemical Engineering Journal 73, 217-227. Argyropoulos,P.,Scott,K., and Taama,W.M., (1999), Pressure drop modelling for liquid feed direct methanol fuel cells, Part II. Model based parametric analysis, Chemical Engineering Journal 73, 229245. Ralph,T.R. and Hogarth,M.P, (2002), Catalysis for Low Temperature Fuel Cells, Part II: The Anode Challenges, Johnson Matthey Technology Centre, Reading,U.K.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-1-6