these can be found at blending s-ps and ps membranes.digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...
Post on 22-Mar-2019
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Membran Fuel Cell daTi Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
MEMBRAN FUEL CELL DARI POLISTIRENTERSULFONASI
Sri Pujiastuti, Sunit Hendrana dan IndriyatiPusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI
JI. Cisitu 211154D, Sangkuriang, Komplek LIPI, Bandung
ABSTRAK
MEMBRAN FUEL CELL DARI POLlSTlREN TERSULFONASI. Telah dilakukan pembuatan membrandari hasil sulfonasi Recrystalized Polystyrene Bimodal, PSBMr, dengan teknik hot press. Membran polistirenatersulfonasi (s-PSBMr) ada yang dibuat s-PSBMr saja dan ada yang dengan variasi campuran s-PSBMr dan HIPSrdengan kondisi hot pres: suhu 80°C, tekanan 50 kgf/cm2 selama 10detik diteruskan pada tekanan 90 kgf/cm2 selama10 detik. Karakterisasi membran yang diperoleh meliputi konduktivitas elektrik dengan menggunakan GeneralRadio 1650B Impendance Bridge, uji tensile dengan menggunakan Tensile Tester, dan penyerapan uap air. Hasilkarakterisasi beberapa membran telah ada yang mendekati nilai karakterisasi yang dimiliki oleh membran Nation,membran pembanding untuk Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), terdapat pada membran hasilcampuran an tara s-PS dan PS.
Kala ktlllci : Po/istiren tersulfonasi. men/bran fuel cell
ABSTRACT
FUEL CELL MEMBRANE FROM SULFONATED POLYSTYRENE. Membrane/Tom heterogeneous\sulfonaiion of Recrystalized P~lystyrene Bimodal, PSBMr, has been made using hot press.technic. ~s made/Tom s-PSBMr only and with variation of blending s-PSBM and HIPS. It pressed at 80°C, 50 kgf/cm2 in ten secondsand 90 kgf/cm2 in ten seconds. Characterizations of membrane have been obtained /Tom General Radio 16500.Impedance Bridge for its electric conductivity, Tensile Tester for its tensile strength, and its waater vapor absorption.Some resulst almost similar to characterization of Nation membrane as a commercial membrane for PEMFC like its
electric conductivity and elastic modulus. These can be found at blending s-PS and PS membranes."Key words: Sulfonated Polystyrene, Fuel cell membrane
PENDAHULUAN
Membran polimer merupakan jantung dari
sel bahan bakar karena disini terjadi reaksielektrokimia untuk menghasilkan tenaga listrik.
Saat ini Nafion® merupakan membran polimer
utama untuk sel bahan bakar dari polimer.Membran ini harganya sangat mahal.
Kemampuan pembuatan membrnn polimer
berbasis polistiren (PS) akan memberikanalternatif membran selain Nafion®,
Proses sulfonation heterogen yang
telah dikembangkan di PPF - LIPI telah
menunjukkan :derajat sulfonasi yang telah tinggi.sulfonasi yang dipilih dapat rnenaikkankonduktivitas elektrik dari orde 10-8 (PS)
menjadi 10-5 S/cm
konduktivitas elektrik lapisan tipis sebanding
dengan derajat sulfonasiTujuan penelitian ini adalah penguasaan
teknologi pembuatan membran s-PS untukdapat memenuhi karakteristik mekanik sepertiNation (meliputi evaluasi antara karakteristik
sulfonasi dengan ~ifat mekanik maupunelektrokimia).
METODEPERCOBAAN
Bahan
Bahan yang digunakan meliputi HighImpact Polystyrene (HIPS), Polystyrene Bimodal
(PSBM), Asam Sulfat berasap 60 % SO) dan
Gas N2
235
Peralatan yang digunakan bel1lpa reaktor 1jenis s-PS (~-PSBMr), ;edangkan membransulfonasi, Cryogenic Crusher (kapasitas kelompok kedua merupakan earn pur an± 1 gram), Ho,-Pre..ss_(Go.l1f1{}~Pressure...G..E!!..g!!.....antara s-PS dan PS (s-PSBMr dan HIPSr). Salah
02326), {Sp;k-trofotometer Inframerah )satu eontoh kondisi hot press pembuatan(FTIR-43octstnmadzy), Ther111..ogrG\!imetri~ membran (eampuran an tara s-PSBMr danAnalysis (TG/DTA200, SEIKO), Tensile Tester HIPSr) ada pada T?bel I.clanGeneral Radio 1650B Impendance Bridge.
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
Sulfonasi Polistiren
Proses sulfonasi dilakukan seeara
heterogen. Oilakukan dengan mengalirkan gas
SO) pada serbuk bahan (PSBMr) dalam suatureaktor sulfonasi dengaa bantuan gas pembawa
N2 (pada suhu kamar). Hasiinya dinamakans-PSBMr.
Karakterisasi HasH Sulfonasi
IdentifIkasiclanpenentuan derajat sulfonasihasil sulfonasi diketahui dari spekfruminframerah yang diperoleh dari speRtrofotometerFTIR-4300, buatan Shimadzu. Prep.;asrsampeldengan menggunakan teknik pelet KBr.• IdentifIkasihasil sulfonasi dilakukan dengan
earnmembandingkanspektrum hasil sulfonasidan spektrum bahan dasar.
• Oerajat sulfonasi dihitung denganmenggunakanrumus :
= (Abspada 1180cm-'/Abspada 1452.3cm-')s - PS x 100%(Abspada 1180cm-'/Abspada 1452.3cm -I) PS
KeteranganPW1cakpada 1180em'\ : gugus fungsi-S03Puneak pada 1452,3 em'l : gugusfungsi-CH2'
~fat termalhasiisulfonasi terhadap fungsiwaktu dilakukan dengan menggunakan
Th~mogravimetric Analysis (TG/OTA 200,SEIKD):-Sifat termal hasil sulfonasi (suhudekomposisi = Td) dipelajari dengan earadibandingkan dengan sifat tennal bahan dasar.
Pembuatan Membran
Metode pembuatan membran dilakukandengan teknik hot press (Hot Press GonnoPressure Gauge 02326). Pembuatanmembran dilakukan dalam 2 kelompok.Membran kelompok pertama terdiri dari
236
ISSN 1410-8720
Tabell. Kondisi hot press campuran antara s-PSBMrdan HIPSr
IK,""" Ho>p~" ('C),No
Jenis SampclP(kgf/cm2), t(s)
Nama Sampel
1
s-PSBMr: HIPSr T=80. P=50(t=10),NY 1:1 (80)I : I (bib)
P=90(t=IO)
2
s-PSBMr: HIPSr IdemNY 1:3 (80)I : 3 (bib)
3
s-PSBMr: HIPSr I : IdemY 13 (80)3 (bib)
(vakum 6 jam)
4
s-PSBMr: HIPSr I : IdemNY 1:5 (80)5 (bib)
5
s·PSBMr: HIPSr I : IdemY 1:5 (80)5 (bib)
(vakum 6 jam)
6
s-PSBMr: HIPSr 3 : idemNY 3: 1 (80)I (bib)
7
s-rSBMr : HIPSr 5 : idemNY 5: 1 (80)1 (bib)
8
s-PSBMr: HIPSr I :T=120. P=50(t=1O),NY 1:3 (120)3 (bib)
P=90(t=10)
9
s-PSBMr : HIPSr I : IdemY 1:3 (120)3 (bib)
(vakum 6 jam)
10
s-PSBMr : HIPSr I : IdemNY 1:5 (120)5 (bib)
II
s-PSBMr : HIPSr I : IdemY 1:5 (120)5 (bib)
(vakum 6 jam)
Keterangan : T = temperatur, P = tekanan, t = waktu
Karakterisasi membran
Karakterisasi membran meliputi :Konduktiyitas elektronik
Pengukuran konduktiyitas elektronik lapisantipis dilakukan dengan General Radio 1650B
Impendance Bridge.- -.,Uji tensile (Tensile Tester),
'Penyerapanuap air (Wate(vapor absorption).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi HasH Sulfonaasi
Oari spektrum FTIR tampak bahwasulfonasi telah terjadi pada s-PSBMr(Gambar 1 dan Gambar 2) yang ditunjukkandengan adanya :
Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
Gugus sulfonat (-S03-) : 1010 em-' dan1180 em-I
- Cinein aromatik tersubstitusi (gugus
sulfonat yang terikat pada einein aromatik) :850 em-I sampai dengan 840 em-I.
•.• II _ •.,.u.il!
-.. ~, IDCIC, "OU .-00 '?till__ "" __ ••. _ ••••• LIfII.1 ••.•••••. -.-.
Gambar J. Spektrum FTIR PSBM
Gambar 2. Spektrum FTIR s-PSBM
]. -n-I ~•!l11I1Irt_ta IIt.
IU
.,. lI.f.u
.11-
-II511
a
DI-
'IC
Dari analisa termal (Gambar 5) diperoleh hasilsebagai berikut :- Kestabilan termal s-HIPSe lebih baik dari
pada HIPSe (Td s-HIPSe = 425,8 °C danTd HIPSe = 415,6 °C)
- Kestabilan termal s-PSBMe lebih rendah dari
pada HIPSe (Td s-HIPSe = 388,3 °C danTd HIPSe = 396,9 °C)
Karakterisasi Membran
Konduktivitas Elektrik
- Konduktivitas elektrik membran yang terbuat
dari 1 jenis s-PS (s-HIPS atau s-PSBM)nilainya sangat kecil bila dibandingkan denganNafion (tidak ditampilkan)
- Konduktivitas elektrik membran (eampurans-PSBMr dan HIPSr)
Konduktivitas Elektrik Nafion adalah 10-5 S/em.
• III ur K"1I11III~B .ad.,.,IIII.1d b
Gambar 3. Termogram TG/DTA (a) PSBM dan(b)s-PSBM
Dari data konduktivitas elektrik membran yangterbuat dari eampuran s-PSBMr dan HIPSr
tampak bahwa : (lihat Tabel2)- Nilai konduktivitas elektrik akan menurun bila
perbandingan masa s-PSBMr terhadapHIPSr berkurang.
- Seeara visual, pembuatan membran denganperbandingan s-PSBMr terhadap HIPSr lebih
besar akan menghasilkan membran yang lunakdan basah.
- Kondisi optimal perbandingan s-PSBMr clan
HIPSr untuk konduktivitas e1ektrik, diperoleh
237
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
pada 1: 3 dan 1: 5 baik vakum maupun nonvakum.
Tabel 2. Kondoktivitas elektrik berbasis lapis daris-PSBMr dan HIPSr.
Sampel
Konduktivitas Elektrik
(S/cm)NV 5: I (80)
5.967 x 10-3
NV 3:1 (80)
1.536 x 10-3
NV I: I (80)
4.147 x 10-4
NV 1:3 (80)
9.530 x 10-5
NV 1:5 (80)
6.79 x 10-4
V 1:3 (80)
1.691 x 10-4
V 1:5 (80)
1.885 x 10-4
NV 1:5(120)
2,8 x 10-4
Tensile Strength
Hasil pengukuran Tensile Strength ditunjukkanpada Tabel 3.- Membran yang terbuat dari I jenis s-P~
(s-PSBM) sangat rapuh sehingga tidak dapatdiukur Tensile Strength-nya.Membran yang terbuat dari 1 jenis s-PS(s-HIPS)memiliki nilai TensileStrength (tidakditampiIkan karena konduktivitas eIektriknyakecil biladibandingkan Nation)Tensile Strength membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagaiberikut :
Tabel 3. Tensile strength berbasis komposisi daris-PSBMrdan HIPSr.
Sampcl
Tensile Strength
(MPa)NV 1:3 (80)
1.2715
NV 1:5 (80)
2.017
V
1:3 (80) 1.8413
V
1:5 (80) 2.7977
NV 1:3 (120)
5.3302
NV 1:5(120)
6.9371
V
1:3 (120) 3.7962
V 1:5 (120)
5.3134
238
ISSN 1410-8720
Sebagai perbandingan, Nation mempunyaiTensile Strength 43 Mpa (in machinedirection) dan 32 Mpa (in transversedirection) yang diukur menggunakanASTMD 882.
Membran yang diperoleh dengan hot presspada suhu 120 oC mempunyai nilai Tensilestrength lebih tinggi dari pada yangdihasiIkanpada suhu 80 oC, namun demikianhal initidakmempengaruhi nilaikonduktivitaseIektriknya.Akan tetapi bila dibandingkan dengan nilaiTensileStrength-nya Nation masihjauh lebihrendall.
Modulus Elastisitas
- Membran yang terbuat dari I jenis s-PS(s-PSBM) tidak mempunyai nilai moduluselastisitas (tidak ditampilkan karenakonduktivitas elektriknya kecil biladibandingkan Nation).
- Modulus elastisitas membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagaibcrikut :
Tabel4. Modulus clastisitas membran (campurans-PSBMr dan HIPSr)
Sampel
Elastic Modulus
(MPa)NV 1:3 (80)
255.261
NV 1:5 (80)
428.330
V
1:3 (80) 392.360
V
1:5 (80) 556.690
NV 1:3 (120)
557.606
NV 1:5 (120)
659.064
V 1:3(120)
559.950
V 1:5 (120)
680.200
Ada salah satu membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) yang mempunyainilai modulus elastisitas yang mendekatiNafion (249 MPa) untuk membranNV 1:3 (80) (membran dengan
perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3tanpa vakum dengan hot press padasuhu 80°C).
Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)
Water Vapor Absorption
- Penyerapan uap air sangat tergantung padakomposisi
- Penyerapan uap air yang relatif kecilditunjukkan oleh membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3yang dihot press pada suhu 80°C (baik vakummaupun tanpa vakum) dan membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yangdi hot press pada suhu 80°C (baik vakummaupun tanpa vakum)
Water Vapor Absorption
90
:-+-tW 1:3(80)
__ tW 1:5 (80)
tW 3:1 (80)
, tW51(80)
__ v 1:3(80)
I-+-V 1:5(80)
~ tW 1:1 (80) I
10 15 20 25
Waklu Oam)
Gombar 4. Penyerapan air
KESIMPULAN
1. Proses sulfonasi yang dilakukan telahmampu menaikkan nilai konduktivitaselektrik sebanding (>= 10-5 Scm-1) dengannilai yang dimiliki oleh Nation. Kenaikkanteramati pada membran yang terbuat daricampuran s-PSBMr dan HIPSr denganperbandingan I: 3 dan 1: 5 baik vakummaupun non vakum.
2. Sifatmekanik membran mengalami perbaikandari tahun lalu, hanya belum menyamai nilaiyang dimiliki oleh Nation, terutama untuktensile strength. Semen tara moduluselastisitasnya telah ada yang mendekati nilaiNation, terdapat pada membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3 tanpavakum dengan hotpress pada suhu 80 derajatcelcius.
3. Membran yang dibuat masih mempunyai nilaiwater absorption yang cukup tinggi. Nilaiwater absorption-nya yang relatif kecilteramatipada membran dengan perbandingan
sPSBMr : HIPSr = 1:3 yang di hotpress padasuhu 80°C (baik vakum maupun tanpavakum) dan membran dengan perbandingan.sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yang di hot presspada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpavakum).
DAFTAR PUSTAKA
[I]. INAGAKI, Y., KUROMIYA, M.,NOGUCHI, T., WATANABE, H.,Langmuir, 15, (1999) 4171
[2]. EL-HOSINY, F.I., GAD, E.A.M.,J Appl.Polym.Sci., 56, (1995) 153
[3]. KUCERA, F., JANCAR, J., Polym. Eng.Sci., 38, (1998) 783
[4]. KUCERA, F., Homogeneous andHeterogeneous Sulfonation of Polystyrene,PhD Thesis, BRNO Univ of Technology(2001)
[5]. KUCERA, F., JANCAR, J., Chem.Papers, 50, (1996) 224
[6]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S.,INDRIYATI. Gas-Phase Sulfonation of
Polystyrene. Prosiding Simposium Nas.Pohmer IV Jakarta, (2003) 126-130
[7]. MENNOLA, TUOMAS. Design andExperimental Characterization of PolymerElectrolyte Membrane Fuel Cells. Thesis.Helsinki University of Technology.Department of Engineering Physics andMathematics. (2000)
[8]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S.,INDRIYATI. Pendekatan Baru Sulfonasi
Polistirena Dengan Fasa Gas-Padai.Prosiding Pemaparan Hasi/ Litbang 1PT.Buku 1, (2003) B 119-B 123
239
top related