Jurnal Setengah Jadi Laboratorium Fisika USU: CHARACTERISTIC CURVE THE METHANOL FUEL CELL

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Hingga saat ini riset untuk meneliti sumber energi baru masih terus dilakukan. Sebagaimana diketahui bahwa sumber energi yang sudah umum digunakan seperti bahan bakar minyak dan gas alam akan habis, padahal kebutuhan akan energi semakin lama semakin meningkat. Hal ini menyebabkan sangat perlunya mencari sumber energi baru.

Fuel cell atau sel tunam adalah sel elektrokimia yang secara sinambung mengkonversi energi kimia suatu bahan bakar dan suatu oksidator menjadi energi listrik dengan proses yang melibatkan sistem elektroda–elektrolit. Fuel cell merupakan suatu bentuk teknologi sederhana seperti baterai yang dapat diisi bahan bakar untuk mendapatkan energinya kembali. Kebutuhan bahan bakar fuel cell bergantung pada jenis elektrolit yang digunakan. Sel bahan bakar, merubah energi kimia ke dalam energi listrik. Mereka menawarkan jaminan kebersihan dan keamanan energi. Beberapa sel tunam, dengan oksigen dan hidrogen sebagai bahan bakarnya, membutuhkan hidrogen yang murni. Pemenuhan kebutuhan bahan bakar hidrogen murni ini semakin mengalami perkembangan, salah satunya dengan penggunaan reformer metanol.

Methanol adalah energi yang salah satu proses pengolahannya mengambil biomassa bahan bakunya. Hal ini membuat methanol menjadi sangat menarik untuk diteliti untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif karena selain bahan bakunya mudah diperoleh di Indonesia, juga methanol tergolong bahan bakar dengan emisi gas buang yang relatif kecil. Hal ini merupakan suatu usaha yang menuju ke arah diverifikasi bahan bakar, selain bahan bakar utama, yaitu gas alam dan minyak bumi, dan perwujudan lingkungan yang rendah.

Di dalam percobaan characteristik curve the methanol fuel cell ini, kita akan menggunakan methanol sebagai fuel cell. Dari hasil percobaan ini nantinya kita akan mengetahui kurva karakteristik the methanol fuel cell dan tegangan maksimalnya.

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui kurva karakteristik the methanol fuel cell dan mencatat tegangan maksimalnya.

2. Untuk mengetahui cara kerja the methanol fuel cell.

3. Untuk melihat diagram power curve dari methanol fuel cell.

4. Untuk mengetahui aplikasi dari the methanol fuel cell.

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada asasnya sebuah sel bahan bakar (fuel cell) adalah sebuah baterai ukuran besar. Prinsip kerja sel ini berlandaskan reaksi kimia, bahwa pada penggabungan hidrogen dan oksigen, terjadi air dan energi. Dalam hal ini, energi lisrik. Atau:

2H₂ + O₂ 2H₂O + Energi Listrik

Pada asasnya sel ini terdiri atas tiga bagian : sebuah pengubah bahan bakar, yang menghasilkan suatu gas yang mengandung banyak hidrogen (H₂), kemudian sel bahan bakar itu sendiri, yang menghasilkan energi listrik arus searah, dan terakhir, sebuah inverter yang mengubah energi listrik arus searah menjadi arus bolak-balik.

Sel bahan bakar itu sendiri pada prinsipnya bekerja sebagai kebalikan proses elektrolisa. Sel tersebut terdiri atas sebuah tangki. Dalam tangki itu ada dua dinding, berupa elektroda. Satu dinding bekerja sebagai elektroda bahan bakar, dan sebuah dinding lainnya berfungsi sebagai elektroda udara. Di tengah kedua dinding itu terdapat elektrolit, yaitu air yang dicampur asam.

Bahan bakar berupa hidrogen H₂memasuki sel bahan bakar, dan ditampung dalam ruangan sebelah kiri dinding bahan bakar. Sedangkan oksigen O₂ dalam bentuk udara memasuki sel bahan bakar dari sebelah kanan dan ditampung dalam ruang sebelah kanan elektroda udara. Kedua elektroda dihubungkan pada jaringan listrik melalui inverter. Diatur bahwa elektroda bahan bakar disambung pada sisi negatif, sedangkan elektroda udara pada sisi positif jaringan. Perlu dikemukakan, bahwa elektroda udara adalah katoda, sedangkan elektroda bahan bakar adalah anoda.

Bilamana oksigen memasuki sel bahan bakar, terdapat reaksi dan atom oksigen itu menerima dua elektron dari elektroda. Kemudian oksigen ini memasuki elektrolit, dan mencapai tempat yang berdekatan dengan elektroda bahan bakar. Pada saat ini terjadi dua hal. Pertama oksigen tersebut tergabung dengan hidrogen dan menjadi air (H₂O). pada saat itu juga oksigen tersebut melepaskan muatan negatifnya berupa dua electron pada elektroda bahan bakar. Bilamana elektroda udara pada tiap atom oksigen melepaskan dua electron, elektroda bahan bakar menerima dua elektron. Dengan demikian elektron ini berpindah dari elektroda udara ke elektroda bahan bakar, dan terjadi arus elektron yang merupakan energi listrik arus searah. Listrik arus searah ini dibawa ke sebuah inverter untuk diubah menjadi arus bolak-balik dan dihubungkan pada jaringan. Suatu kekhususan pada sel bahan bakar adalah, bahwa tidak terdapat bagian-bagian mekanis yang bergerak. Dengan demikian pada perubahan energi ini terdapat potensial untuk mempunyai efisiensi yang tinggi. Keuntungan tambahan adalah, bahwa polusi terhadap lingkungan rendah sekali. Suatu keuntungan ketiga bahwa ukuran sebuah sel bahan bakar, dibanding dengan pusat-pusat listrik lainnya, kecil sekali.

Pada contoh di atas dipergunakan elektrolit asam, di mana ion pengantar merupakan H⁺. dalam hal ini reaksi-reaksi elektoda adalah:

Reaksi anoda: 2H₂ 4e^- + 4H⁺

Reaksi katoda: 4e^- + 4H⁺+ O₂ 2H₂O

Bilamana digunakan elektrolit akalin, misalnya hidroksida potasium, ion pengantar merupakan OH^- dan reaksi-reaksi elektroda adalah:

Reaksi anoda: 2H₂ + 4OH^- 4H₂O + 4e^-

Reaksi katoda: 2H₂O + O₂ + 4e^- 4OH^-

Beberapa jenis sel bahan bakar mempergunakan elektrolit berupa bahan padat yang pada asanya merupakan suatu membran penukar ion. Membran demikian haruslah fleksibel, memiliki kekuatan mekanikal yang besar, stabil secara kimiawi, serta tahan terhadap berbagai jenis gas yang agresif. Sekalipun membran itu tembus ion, ia memiliki tahanan listrik yang tinggi, walaupun tebalnya hanya kira-kira 3 mm. Sel bahan bakar jenis ini pernah digunakan sebagai sumber energi listrik pada beberapa satelit ruang angkasa.

Karakteristik kerja sebuah sel bahan bakar berupa lengkung tegangan-arus. V₀ merupakan tegangan sel bahan bakar bilamana tidak ada beban. Pada saat diberi beban, tegangan akan jatuh karena terjadi polarisasi kimiawi, sehingga tegangan tanpa beban yang sebenarnya adalah di bawah nilai V₀. Bilamana beban ditingkatkan, terjadi jatuh tegangan disebabkan kerugian tahanan intern. Pada beban yang agak tinggi terjadi tambahan jatuhan tegangan karena terjadi proses polarisasi-konsentrasi pada elektrolit.

Sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya, sel bahan bakar telah digunakan pada Gemini. Aplikasinya dari sel bahan bakar di ruang angkasa adalah pada satelit Apollo, dan juga pada skylabserta pada pesawat ulang-alik Colombia. Hal ini disebabkan karena sebuah sel bahan bakar sangat ringan sebagai sumber energi listrik. Oleh karena itu penelitian juga dilakukan untuk memanfaatkannya pada sebuah pesawat terbang, yang mempergunakan hidrogen sebagai bahan bakar. Rusia kini telah mempunyai sebuah kapal terbang demikian sebagai proyek percobaan.teknologi sel bahan bakar ini masih berada pada taraf pengembangan, yang dilakukan oleh perusahaan-perusaan besar di negara-negara maju secara intensif. (Abdul Kadir, 1995)

Pengurangan oleh api adalah hal yang sederhana, pengalaman menyenangkan bahwa banyak dari kita yang terkadang menikmati hidup kita. Banyak energi sederhana perlu dikerjakan oleh pembakaran kayu. Namun, itu terlalu lama untuk kita untuk kembali ke pembakaran kayu untuk memenuhi perlengkapan arus energi kita. Keperluan kita terlalu besar dan hutan terlalu sedikit.

Kekurangan energi untuk seseorang yang tinggal di dunia ketiga mungkin berarti bahwa mereka dihadapkan dengan masalh sehari-hari mengumpulkan kayu secukupnya, memotong tunggul atau kotoran hewan untuk membakar untuk tujuan memasak atau memanaskan. Untuk populasi terbanyak dalam Negara seperti India dan Sudan, biomassa adalah hanya sumber energi yang signifikan. Kotoran hewan dan bahan tanaman dapat juga digunakan sebagai sebuah sumber biogas, digunakan sebuah penghancur biogas. Biogas adalah sebuah bentuk yang terkenal sebagai energi di banyak negara berkembang. Itu dapat digunakan untuk memanaskan dan untuk daya rumah dan kebun.

Biogas umumnya terdiri dari karbon dioksida dan metana secara kasar kuantitasnya sama dan dibangkitkan ketika peluruhan bahan organik dengan kehadiran oksigen. Sel bahan bakar, merubah energi kimia ke dalam energi listrik. Mereka menawarkan jaminan kebersihan dan keamanan energi. Hanya pembuangan mereka menghasilkan panas dan air. Sel bahan bakar dapat berada di atas 80 persen efisiensi. Pada laju ini, mereka dapat menghasilkan listrik lebih banyak secara efisien kemudian itu dapat dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar konvensional.

Sel bahan bakar telah berhasil digunakan dalam pesawat ruang angkasa Amerika Serikat. Namun, pembuktian teknologi signifikan harus dibuat sebelum memperbesar skala komersial menggunakan sel bahan bakar menjadi memungkinkan. (Chris Commons.dkk, 1991)

Fuel cell atau sel tunam adalah sel elektrokimia yang secara sinambung mengkonversi energi kimia suatu bahan bakar dan suatu oksidator menjadi energi listrik dengan proses yang melibatkan sistem elektroda–elektrolit. Fuel cell merupakan suatu bentuk teknologi sederhana seperti baterai yang dapat diisi bahan bakar untuk mendapatkan energinya kembali. Kebutuhan bahan bakar fuel cell bergantung pada jenis elektrolit yang digunakan. Beberapa sel tunam, dengan oksigen dan hidrogen sebagai bahan bakarnya, membutuhkan hidrogen yang murni. Pemenuhan kebutuhan bahan bakar hidrogen murni ini semakin mengalami perkembangan, salah satunya dengan penggunaan reformer metanol.

Methanol atau methyl alkohol dikenal juga dengan alkohol kayu adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Methanol adalah alkohol yang paling sederhana dan ringan, mudah menguap, tidak berwarna serta mudah terbakar. Methanol digunakan untuk anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai denaturant untuk ethyl alkohol. Selama ini pasar yang paling besar untuk methanol adalah untuk pembuatan MTBE (Methyl Tertiery Buthyl Ether). Untuk mengatasi kekurangan pada penggunaan MTBE maka pemakaian methanol sebagai bahan bakar yang ramah lingkungan cukup menjanjikan. Ada 2 (dua) alternative penggunaan Methanol sebagai bahan bakar yaitu : campuran methanol bensin dan methanol sebagai sel bahan bakar.

Reaktor membran adalah sistem reaktor baru yang mengkombinasikan pemisahan dengan membran dan reaksi kimia. Reaktor membran memiliki dua tipe, yaitu reaktor membran packed-bed dan reaktor membran katalitik. Reaktor membran dengan katalis packed-bed memiliki area pemisahan yang terpisah dari area reaksi, sedangkan pada reaktor membran katalitik, reaksi dan pemisahan terjadi secara simultan. Membran dalam reaktor ini merupakan penghalang yang hanya dapat melewatkan komponen tertentu. Selektivitas pada membran ini dikontrol oleh ukuran diameter pori membran.

Pada reaktor membran, kombinasi reaksi dan pemisahan dilakukan untuk meningkatkan konversi. Salah satu produk hasil reaksi dipisahkan dari reaktor melalui membran. Hal ini akan menyebabkan kesetimbangan reaksi bergerak ke kanan (menurut Prinsip Le Chatelier), sehingga produk yang dihasilkan semakin banyak.

Membran reaktor banyak digunakan pada reaksi dehidrogenasi (misalnya reaksi dehidrogenasi etana). Pada reaksi ini, hanya salah satu produk, yaitu hidrogen, yang cukup kecil sehingga dapat melewati membran. Hasilnya, desain yang lebih padat dan konversi yang semakin tinggi membuat reaktor tipe ini menunjukkan proses yang lebih efisien. Pemisahan produk akan meningkatkan waktu tinggal untuk volume reaktor yang digunakan sehingga membawa reaksi yang terbatas pada kesetimbangan semakin mendekati penyelesaian reaksi.

Keuntungan yang lebih jauh lagi, reaktor membran dapat meningkatkan rentang temperatur dan tekanan yang diperbolehkan untuk reaksi. Reaktor membran secara fundamental mengubah ketergantungan konversi reaksi dekomposisi fasa gas terhadap tekanan sehingga reaksi lebih disukai jika dilakukan pada tekanan tinggi daripada tekanan rendah. Kondisi tekanan tinggi akan membutuhkan ukuran reaktor yang lebih kecil dan pemurnian yang lebih efisien. Reaktor membran juga berguna bagi reaksi endotermik dan eksotermik yang berurut, dengan menggunakan ekstraksi produk untuk meningkatkan perpindahan panas. Hasilnya adalah reaktor yang lebih kecil, biaya yang lebih rendah, dan reaksi samping yang lebih sedikit.

Salah satu penerapan reaktor membran adalah reaksi reforming metanol yang dapat digunakan sebagai sumber hidrogen untuk fuel cell. Reaksi yang terjadi adalah:

CH₃OH + H₂O –>3H₂ + CO₂ (1)

Reaksi ini dapat dimodelkan oleh dua tahap reaksi: reaksi perengkahan endotermik irreversible, dimana satu mol metanol dikonversi menjadi tiga mol produk:

CH₃OH –>2H₂ + CO (2)

dan diikuti oleh water gas shift reaction,

CO + H₂O –> H₂ + CO₂ (3)

yang merupakan reaksi eksotermik dan terbatas pada kesetimbangan.

Kedua reaksi ini biasanya dilakukan pada reaktor aliran sumbat menggunakan katalis tembaga-seng oksida dan diikuti oleh reaksi pemurnian, yaitu oksidasi parsial untuk memisahkan CO yang tak bereaksi. Tanpa reaktor membran, persyaratan kondisi pemanasan dan tekanan pada proses ini menjadi sulit, karena memerlukan reaktor yang besar dan daerah pemanasan yang signifikan. Jika mungkin, reaksi 2 akan berlangsung pada tekanan dan temperatur tinggi untuk mempercepat reaksi dan meningkatkan penggunaan katalis. Selain itu, karena reaksi ini sangat endotermik, temperatur yang digunakan harus sangat tinggi dan panas harus diberikan sepanjang reaktor.

DMFC merupakan fuel cell jenis proton exchange membrane (PEM) yang merubah secara langsung metanol menjadi energi listrik melalui suatu proses kimia. Prinsip kerja DMFC adalah metanol dan air bereaksi pada anoda menghasilkan karbon dioksida, proton, dan elektron. Selanjutnya proton bermigrasi melalui elektrolit polimer (misal Nafion) menuju katoda kemudian bereaksi dengan oksigen dari udara menghasilkan air. Pada umumnya DMFC beroperasi pada temperatur sekitar 80^oC dengan efisiensi antara 40 – 50%. Sampai saat ini masih ada berbagai kelemahan pengunaan DMFC baik dari segi biaya produksi maupun dari segi teknik. Kelemahan teknis yang masih menjadi kendala ialah adanya metanol yang melintas melalui polimer elektrolit menuju katoda. Hal ini secara langsung akan menurunkan efisiensi dan unjuk kerja DMFC. Saat ini sedang difokuskan penelitian dan pengembangan untuk mereduksi kelemahan teknis itu,.

Secara kontras, temperatur dan tekanan yang rendah justru dibutuhkan untuk menjalankan reaksi 3 karena reaksi ini bersifat eksotermik. Panas harus dihilangkan antara tahap ini dan tahap akhir, atau di sepanjang reaktor pada bagian reaksi ini. Reaksi seperti ini umumnya menggunakan pemanas internal untuk reaksi 2 dan tiga alat penukar panas eksternal yang memanaskan umpan dan menghasilkan pendinginan antar tahap pada reaksi 3. Tekanan rendah yang digunakan untuk menjalankan reaksi 3 menyebabkan kedua reaksi harus dilaksanakan pada tekanan rendah, di bawah 100 psi. Akibatnya, reaktor yang digunakan menjadi lebih besar daripada reaktor pada kondisi tekanan tinggi. Secara otomatis, biaya peralatan pun meningkat.

Salah satu reaktor membran yang sedang diteliti untuk digunakan pada reaksi konversi metanol ditunjukkan oleh gambar di samping kanan ini. Metanol dan air masuk melalui bagian bawah annulus luar dan diuapkan menggunakan panas yang didapat dari pendinginan produk hidrogen dan shift reaction. Uap ini akan bergerak ke bagian atas. Pemanasan lebih lanjut pada reformer dilakukan dengan pembakaran gas rafinat.

Beberapa inci pertama dalam reaktor tersebut merupakan area dekomposisi, yaitu area saat metanol dikonversi menjadi CO dan H₂ dengan reaksi 2. Reaksi ini diikuti oleh daerah tempat terjadinya reaksi water-gas shift. Seperti yang sudah disebutkan, pemisahan hidrogen membantu melaksanakan reaksi pada tekanan tinggi dengan menjaga tekanan parsial hidrogen di bawah tekanan parsial karbon monoksida dan air. Pembakaran gas buangan juga meningkatkan efisiensi keseluruhan saat memisahkan sisa CO. Dengan membran yang sesuai, unit ini akan menghasilkan hidrogen yang lebih murni daripada hidrogen yang dihasilkan oleh oksidasi parsial.

(http://www.alpensteel.com/article/120-109-energi-fuel-cell--sel-bahan-bakar/2633--reforming-metanol-untuk-fuel-cell)