PEMFC - ETD UGM
advertisement
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) adalah alat pengkonversi energi yang berpotensi sebagai pembangkit energi alternatif di masa depan. Dalam sistem PEMFC energi kimia suatu bahan bakar diubah menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia tanpa menghasilkan emisi gas rumah kaca. (Rohendi dan Yuliar, 2010). Mesin pembangkit energi konvensional pada umumnya dibagi menjadi dua yaitu mesin pembangkit energi tidak bergerak (stationer) dan mesin pembangkit energi bergerak (mobile). energi stationer contohnya adalah genset. Mesin pembangkit Sedangkan mesin pembangkit energi mobile contohnya adalah pada mesin kalor yang ada pada kendaraan bermotor. Mesin pembangkit energi yang digunakan hingga saat ini pada umumnya menganut sistem Carnot yang bekerja sesuai dengan hukum termodinamika I dan II. Contoh mesin pembangkit energi yang dapat mewakili mesin kalor adalah turbin Pembangkit Listrik Tenaga Uap Air atau biasa disingkat dengan PLTU. Pada mesin pembangkit energi konvensional dalam proses operasinya bahan bakar dikonversi menjadi panas kemudian diubah menjadi energi kinetik dan diubah kembali menjadi energi listrik. akan menghasilkan efisiensi termal Pada umumnya mesin Carnot hanya sekitar 60% jika dihitung dengan menggunakan rumus efisiensi reversibel, akan tetapi aktualnya hanya akan menghasilkan efisiensi termal sekitar 40% (Sudjito dkk., 2016). Ditinjau dari 1 kualitas energi yang dihasilkan, sebuah mesin kalor Carnot jika menerima panas dari sebuah sumber pada temperatur 925 K hanya akan mengubah 67,2% menjadi kerja dan 32,8% sisanya hanya akan dibuang ke sink sebesar 303 K, akan tetapi kemungkinan masih dapat mengalami penurunan efisiensi termal apabila temperatur sumber divariasikan dengan temperatur sink yang dijaga konstan. Sebagai salah satu contoh apabila suplai panas dari temperatur sumber sebesar 500 K (jika dibandingkan dengan 925 K) maka efisiensi termal yang dihasilkan hanya akan bernilai sebesar 39,4% dan jika temperatur sumber yang diberikan sebesar 350 K maka hanya akan dihasilkan fraksi panas yang dikonversi sebesar 13,4%. Pada sistem fuel cell energi kimia diubah langsung menjadi energi listrik sehingga efisiensi energi yang dihasilkan akan lebih besar dibandingkan dengan mesin Carnot. Efisiensi yang digunakan secara luas dari sebuah mesin fuel cell didasarkan pada perubahan energi bebas standar untuk reaksi setiap sel, di mana hasil air pada kondisi standar (298 K) dan tekanan 1 atm, energi termal (ΔH) pada hidrogen dan oksigen sebesar 285,8 kJ/mol dan energi yang dikonversi menjadi kerja sebesar 237,1 kJ/mol sehingga efisiensi termal fuel cell berbahan bakar hidrogen dan oksigen murni pada kondisi operasi ideal reversibel sebesar 83%. Berbagai penelitian terkait dengan teknologi pembangkit energi ramah lingkungan telah banyak dikembangkan dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan diantaranya adalah pemanfaatan energi matahari (solar energy), angin (wind), panas bumi (geothermal) dan hydroelectric. Pengembangan teknologi sebagai mesin pembangkit energi ramah lingkungan saat ini tidak terlepas dari 2 beberapa persyaratan agar dapat bersaing dengan teknologi konvensional berbasis bahan bakar fosil. Beberapa persyaratan yang harus dipenuhi agar dapat bersaing dengan teknologi pembangkit energi konvensional diantaranya adalah dapat beroperasi pada suhu/temperatur yang rendah (low operating temperature), menghasilkan kerapatan energi yang besar (high density energy), dapat dioperasikan dengan cepat (rapid start-up), memiliki bentuk yang sederhana sehingga penggunaanya dapat disesuaikan dengan tingkat kebutuhan (modular design), bersifat fleksibel (dari beberapa watt hingga kilowatt) dan menghasilkan emisi yang ramah terhadap lingkungan. Penelitian lebih lanjut juga telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja dari PEMFC dan menurunkan biaya produksi pembuatan PEMFC diantaranya adalah pembuatan Membrane Electrode Assembly (MEA) yang terdiri dari beberapa bagian penyusun diantaranya adalah Proton Exchange Membrane, Catalyst Layer (anoda dan katoda) dan Diffusion Layer (Irmawati, dkk., 2013). Pada penelitian ini akan dilakukan proses pembuatan catalyst layer sebagai salah satu bagian dari Membrane Electrode Assembly (MEA) dengan menggunakan metode Homogeneous Deposition-Ethylene Glicol. Catalyst Layer memiliki peranan yang sangat penting karena akan berhubungan secara langsung dengan arus yang akan dihasilkan dari sistem PEMFC tersebut. Material penyusun Catalyst Layer terdiri dari material pengemban katalis dan katalis logam. Katalis logam memiliki peranan yang cukup penting pada proses katalitik baik reaksi Hydrogen Oxidation Reaction (HOR) maupun Oxygen Reduction Reaction (ORR) (Wittkopf, et al., 2014). Katalis logam yang digunakan pada 3 material penyusun Catalyst Layer tersebut biasanya menggunakan logam yang harganya cukup mahal dan jumlahnya terbatas di alam seperti logam platina (Pt) dan paladium (Pd), sehingga hal ini masih menjadi fokus penelitian dan terus dikembangkan sebagai salah satu strategi untuk menghasilkan elektrokatalis dengan luas permukaan yang tinggi sehingga dapat meningkatkan aktivitas katalitik serta efisiensi yang tinggi dalam proses penggunaanya (Fang, et.al., 2009) karena kemampuan suatu katalis logam sangat dipengaruhi oleh ukuran partikel, distribusi dan luas permukaan pengemban (Lu, et.al., 2005). Permasalahan mengenai penggunaan katalis logam yang jumlahnya terbatas tanpa mengurangi kemampuan aktivitas katalitiknya dapat dilakukan dengan menggunakan suatu pengemban katalis yang memiliki sifat yang stabil terhadap termal dan reaksi kimia (Chorkendorff dan Niemantsverdriet, 2003). Material pengemban katalis yang telah diteliti oleh beberapa peneliti sebelumnya dalam pembuatan elektrokatalis untuk fuell cell adalah silika-karbon mesopori (Tang, et.al., 2008), carbon-black Vulcan XC-72R (VC) (Fang, et.al., 2009) dan carbon nanofibers (CNFs) (Wang, et.al., 2015). Carbon-black jenis Vulcan- Carbon memiliki luas permukaan spesifik yang cukup tinggi yaitu sebesar 250 m2 .g-1 dan memiliki distribusi pori yang seragam dengan pori berukuran mikro (Rolison, 2003; Güvenatama, et.al., 2012). Akan tetapi karbon jenis tersebut masih memiliki beberapa keterbatasan diantaranya adalah proses mass transport molecule yang sangat lambat yang disebabkan karena ukuran pori yang terlalu kecil, nilai konduktivitas yang rendah, dan rusaknya struktur pori akibat kurangnya ketahanan karbon jenis ini terhadap kondisi operasi dari Proton 4 Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) sehingga berpotensi menjebak dan menonaktifkan kinerja dari nanopartikel Pt. Penggunaan material pengemban katalis yang berbeda dapat menghasilkan ukuran dan distribusi katalis logam yang berbeda pula (Soboleva, et.al., 2010). Penggunaan material pengemban katalis yang berbeda dapat menghasilkan ukuran dan distribusi katalis logam yang berbeda akan mempengaruhi aktivitas katalis logam terhadap kinerja dari PEMFC. pengemban katalis sudah banyak Penggunaan karbon sebagai material dilakukan akan tetapi penelitian tentang penggunaan karbon yang terbuat dari polimer sintetis hasil pirolisis resin fenolik pada proses pembuatan elektrokatalis untuk aplikasi PEMFC belum pernah dilakukan sebelumnya. Karbon sintetik yang disintesis dengan menggunakan resin fenolik memiliki banyak kelebihan diantaranya adalah struktur serta ukuran pori dapat diatur sesuai dengan fungsi dan kegunaanya. Proses deposisi serta distribusi katalis logam pada permukaan pori karbon dilakukan dengan metode Homogeneous Deposition-Ethylene Glychol (HD-EG). Metode HD-EG merupakan proses distribusi katalis logam melalui deposisi logam nanopartikel dengan menggunakan urea sebagai supporting agent dan ethylene glicol sebagai agen pereduksi. dikembangkan hingga saat Dari beberapa penelitian yang telah banyak ini metode HD-EG telah terbukti mampu menghasilkan distribusi katalis logam nanopartikel pada permukaan material pengemban dengan sangat baik dibandingkan dengan metode lain seperti reduksi NaBH4 dan Microwave-assited EG karena metode HD-EG dapat menghasilkan 5 ukuran partikel dan distribusi logam sebagai katalis yang seragam (Fang, et.al., 2009). 1.2. Keaslian Penelitian Pada penelitian ini dilakukan pembuatan Membrane Electrode Assembly (MEA) dengan menggunakan metode HD-EG. Dalam proses pembuatan katalis sangat penting untuk mengetahui dan mengontrol ukuran serta distribusi katalis berupa logam nanopartikel yang akan dideposisikan ke dalam karbon hasil pirolisis resin fenolik sebagai pengemban katalis agar dapat menghasilkan katalis yang dapat bekerja secara optimal. Metode HD-EG merupakan salah satu metode pembuatan katalis MEA yang sangat efisien untuk diaplikasikan dalam proses pembentukan katalis logam nanopartikel dan keseragaman distribusi nanopartikel (NPs). Kinerja suatu elektrokatalis sangat bergantung pada tingkat kekuatan material pengemban katalis terhadap reaksi kimia dan kondisi lingkungan (Zhang, et.al., 2013). Desain material sebagai pengemban katalis memainkan peranan yang sangat penting dalam menentukan kinerja dari elektrokatalitik secara keseluruhan. Keberhasilan dalam proses desain pembuatan pengemban katalis akan dapat menghasilkan suatu elektrokatalis yang dapat bekerja secara optimal (Joo, et.al., 2001; Balgis, et.al., 2012; Balgis, et.al., 2013). Pengemban katalis yang biasa digunakan dalam pembuatan elektrokatalis adalah karbon karena karbon memiliki kelebihan yaitu stabil terhadap thermal dan reaksi kimia (Chorkendorff dan Niemantsverdriet, 2003). Hingga saat ini beberapa jenis pengemban katalis dari jenis karbon telah banyak dikembangkan seperti karbon 6 sintetis dengan menggunakan senyawa organik sebagai template sehingga ukuran dan morfologinya dapat dikontrol dengan mudah sesuai yang diharapkan (Wang, et.al., 2006; Liang, et.al., 2006; Hu, et.al., 2010; Inagaki, et.al., 2011 dan Yoo, 2012), akan tetapi penggunaan karbon yang terbuat dari resin fenolik hasil pirolisis sebagai pengemban katalis logam untuk PEMFC belum pernah diteliti sebelumnya. Karbon yang terbuat dari resin fenolik disintesis dengan senyawa resorcinol, phenol dan formaldehyde sebagai reagen pembentuk polimer karbon (Ariyanto, 2010). Parameter luas permukaan katalis logam juga sangat penting dalam kajian mengenai pembuatan MEA dengan menggunakan material pengemban katalis berupa karbon sintetis yang disintesis melalui reaksi polimerisasi antara resocinol, phenol, ethylene glycol, t-butyl phenol dan formaldehyde. Pemilihan metode distribusi dan deposisi katalis logam nanopartikel pada permukaan pengemban katalis memiliki peranan yang sangat penting karena akan menghasilkan material katalis yang memiliki ukuran partikel yang kecil dengan ukuran dan distribusi homogen. Desain rekayasa material untuk mendapatkan katalis yang berukuran nanopartikel bulat sempurna biasa dilakukan dengan menggunakan metode spraypyrolysis (Xue, et.al., 2005), akan tetapi metode tersebut membutuhkan biaya operasional yang cukup mahal dan membutuhkan kondisi yang cukup ekstrim yaitu dibutuhkan tekanan dan suhu yang tinggi dalam membentuk elektrokatalis. Metode lain yang tidak membutuhkan biaya dan kondisi yang ekstrim dalam proses sintesisnya adalah proses deposisi secara merata pada permukaan material pengemban katalis dengan menggunakan agen pereduksi ethylene glicol yang 7 biasa disebut dengan HD-EG. Metode HD-EG dapat menghasilkan distribusi nanopartikel yang merata serta ukuran yang seragam (Fang, et.al., 2009). Sehingga dalam penelitian ini digunakan metode HD-EG dalam proses deposisi katalis logam nanopartikel pada permukaan pengemban katalis. Pengemban katalis berupa konduktivitas yang relatif kecil. karbon sintetik biasanya Sifat tersebut dipengaruhi oleh struktur dan derajat keteraturan kristal dari material pengemban katalis. katalis yang dapat memiliki nilai menghantarkan Struktur material (mengalirkan) elektron memiliki kriteria tertentu di antaranya adalah material berlapis, material yang memiliki elektron valensi yang tidak berpasangan yang dapat bergerak bebas pada kisi kristal serta harus memiliki nilai band gap (Eg/ jarak antar pita valensi) yang tidak begitu besar (sekitar 1 eV) sehingga memungkinkan elektron yang tidak berpasangan pada pita valensi bergerak ke pita konduksi hal inilah yang menyebabkan elektron dapat bergerak dan menghasilkan listrik (West, 1984). Selain itu sifat konduktif dari material pengemban katalis, juga dipengaruhi oleh keteraturan struktur kristal. Semakin teratur bentuk kristalnya maka transfer elektron pada catalyst layer juga akan semakin cepat karena apabila struktur kristal teratur maka elektron akan dapat bergerak secara teratur pula sehingga keteraturan kristal dari elektrokatalis juga sangat mempengaruhi proses transfer elektron. Untuk meningkatkan nilai konduktivitas karbon sintetik dapat dilakukan dengan menambahkan grafit. Grafit merupakan material yang memiliki nilai konduktivitas yang besar dibandingkan dengan karbon. Penggunaan grafit sebagai pengemban katalis telah dilakukan oleh Lu, et.al. (2005) akan tetapi 8 distribusi ukuran logam nanopartikel terbatas disebabkan karena luas permukaan dari grafit yang cukup rendah. Oleh karena itu dalam penelitian ini digunakan pengemban katalis karbon yang terbuat dari resin fenolik yang akan ditambahkan dengan grafit pada berbagai variasi berat untuk meningkatkan nilai konduktivitas dari elektrokatalis sehingga diharapkan dapat meningkatkan kinerja elektrokatalis pada PEMFC. 1.3. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan elektrokatalis yang memiliki kinerja yang baik dan dapat mengurangi jumlah penggunaan logam katalis dengan memanfaatkan luas permukaan spesifik, mengkaji sifat konduktivitas dan keanekaragaman struktural dari karbon sintesis yang terbuat dari resin fenolik sebagai material pengemban katalis untuk aplikasi PEM Fuel Cell. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk : 1. Mempelajari/mengkaji pengaruh karbon hasil pirolisis resin fenolik yaitu Resorcinol Phenol Formaldehyde (RPF_Carbon), Resorcinol Tersier Butyl Phenol Formaldehyde Formaldehyde Ethylene (RTBPF_Carbon) Glycol dan Resorcinol (RPFEG_Carbon) sebagai Phenol material pengemban katalis pada Fuel Cell jenis Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). 2. Mempelajari pengaruh luas permukaan internal dan eksternal dari berbagai jenis karbon resin fenolik sebagai material pengemban katalis logam terhadap distribusi partikel logam katalis. 9 3. Mempelajari kinerja PEMFC melalui reaksi katalitik elektrokatalis beberapa jenis logam dengan material pengemban katalis berupa karbon hasil pirolisis resin fenolik untuk aplikasi PEMFC. 4. Mengetahui pengaruh penambahan grafit sebagai conductivity agent pada elektrokatalis PEMFC dengan penggunaan karbon hasil pirolisis resin fenolik sebagai material pengemban katalis terhadap kinerja PEM Fuel Cell. 1.4. Manfaat Penelitian 1. Bagi bidang ilmu pengetahuan diharapkan penelitian ini dapat mengetahui pengaruh kondisi proses dan aktifitas karbon sintesis yang terbuat dari resin fenolik sebagai pengemban katalis terhadap kemampuan aktivitas katalitik pada Membrane Electrode Assembly (MEA) pada PEMFC dengan menggunakan metode Homogeneous Deposition-Ethylene Glycol (HD-EG). 2. Bagi bangsa dan negara, penelitian ini diharapkan dapat menambah wawasan ilmu pengetahuan dalam proses pengembangan fuel cell sebagai energi alternatif terbarukan yang menjanjikan di masa depan. 10
