laporan penelitian tk4093
DESCRIPTION
Kelompok [B1.1314.K.03]TRANSCRIPT
TK4093 PENELITIAN TEKNIK KIMIA IISemester II 2014/2015
JudulKARAKTERISASI ELEKTROKIMIA UNTUK MOLTEN
CARBONATE FUEL CELL (MCFC)
Kelompok B1.1314.K.03
Ivan Rene Soejatmiko (13011052)Valerius Vandru Hartanto (13011057)
Pembimbing
Dr. Hary DeviantoDr. Dwiwahju Sasongko
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
Juni 2015
LEMBAR PENGESAHANTK4093 PENELITIAN TEKNIK KIMIA II
Semester II 2014/2015
KARAKTERISASI ELEKTROKIMIA UNTUK MOLTEN CARBONATE FUEL CELL (MCFC)
Kelompok B1.1314.K.03
Ivan Rene Soejatmiko (13011052)Valerius Vandru Hartanto (13011057)
Bandung, Juni 2015Disetujui Pembimbing
Dr. Hary Devianto Dr. Dwiwahju Sasongko (Pembimbing 1) (Pembimbing 2)
B1.1314.K.03
Catatan Pembimbing
i
SURAT PERNYATAANTK4092 PENELITIAN TEKNIK KIMIA I
Semester II Tahun 2014/2015
Kami yang bertanda tangan di bawah ini:
Kelompok : B1.1314.K.03
Nama (NIM) : Ivan Rene Soejatmiko (13011052)
Nama (NIM) : Valerius Vandru Hartanto (13011057)
dengan ini menyatakan bahwa laporan dengan judul:
KARAKTERISASI ELEKTROKIMIA UNTUK MOLTEN CARBONATE FUEL CELL (MCFC)
adalah hasil penelitian kami sendiri di mana seluruh pendapat dan materi dari sumber
lain telah dikutip melalui penulisan referensi yang sesuai.
Surat pernyataan ini dibuat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan dalam lembar
pernyataan ini di kemudian hari diketahui keliru, kami bersedia menerima sanksi sesuai
peraturan yang berlaku.
Bandung, 24 Juni 2015
Tanda tangan
Ivan Rene Soejatmiko
Tanda tangan
Valerius Vandru Hartanto
B1.1314.K.03ii
TK4093 PENELITIAN TEKNIK KIMIA II
Karakterisasi Elektrokimia untuk Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Kelompok B1.1314.K.03
Ivan Rene Soejatmiko (13011052) dan Valerius Vandru Hartanto (13011057)
Pembimbing
Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko
ABSTRAK
Pertumbuhan penduduk yang semakin cepat membuat kebutuhan akan energi terus meningkat sehingga dibutuhkan energi alternative untuk mengatasi atau mencegah krisis energi di masa depan, salah satunya adalah fuel cell terutama Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). Selain dapat menghasilkan energi listrik dan panas, MCFC juga dapat menangkap karbon dioksida. Dibandingkan metode lain, MCFC memiliki kelebihan dalam mengurangi kandungan gas rumah kaca di udara dan dapat menghasilkan efisiensi yang relatif tinggi apabila diintegrasikan dengan teknologi lain yang mendukung salah satunya adalah penggunaan gas sintesis hasil gasifikasi biomassa sebagai umpan untuk MCFC. Namun, untuk bisa merasakan potensi fuel cell tersebut, Indonesia harus melakukan pengembangan secara mandiri. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengkarakterisasi reaksi elektrokimia Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) dengan menggunakan elektroda logam non-mulia.
Penelitian ini berfokus pada pengembangan produksi anoda MCFC melalui proses sederhana yang disebut metode dry casting. Bahan baku yang digunakan adalah campuran logam Nikel dan Krom dengan komposisi 90% Ni dan 10% Cr. Variasi yang digunakan adalah perbandingan massa logam dan binder (polyvinyl alcohol (PVA)) serta temperatur sintering. Anoda hasil penelitian kemudian dikarakterisasi fisik dengan SEM (Scanner Electron Microscopy), XRD (X-Ray Diffraction) dan uji porositas standar ASTM, karakterisasi kimia anoda hasil penelitian dengan menguji hambatan internal. Hasil karakterisasi akan dibandingkan dengan karakteristik anoda standar yang diperoleh dari Institusi Riset Ilmu Pengetahuan Korea. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, kesimpulan yang diperoleh yaitu rasio optimum antara logam campuran Nikel dan Krom dengan binder adalah 1:1 sedangkan temperatur sintering yang optimum untuk dapat menghasilkan anoda molten carbonate fuel cell adalah 650oC dengan nilai porositas 66.41%, nilai hambatan internal 9.5 ±3.4 ohm dan nilai resistivitas berada dalam rentang 7.2 x 10-4 sampai dengan 1.6 x 10-3 ohm.m.
Kata kunci : Anoda, Karakterisasi, MCFC, Logam non-mulia
B1.1314.K.03iii
TK4093 CHEMICAL ENGINEERING RESEARCH II
Electrochemical Characterization for Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Group B1.1314.K.03
Ivan Rene Soejatmiko (13011052) and Valerius Vandru Hartanto (13011057)
Advisor
Dr. Hary Devianto and Dr. Dwiwahju Sasongko
ABSTRACT
High rate of human growth these days causes the energy demand keep increasing, therefore alternative energy is needed to prevent or overcome the energy crisis that would probably happen in the future, one of them is fuel cell especially Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). Besides it can produce electricity or thermal energy, MCFC is also capable to capture carbondioxide. Compared with other methods, MCFC can reduce the green house gases from the ambient air and produce higher efficiency if the system is integrated with other supporting technologies, such as utilization of synthesis gas from biomass gasification as the feed for MCFC. However, in order to feel the potential of the fuel cell on Indonesia, Indonesians have to do research and development of fuel cell independently. The purpose of this research is to characterize the electrochemical reaction of Molten Carbonate Fuel Cell using the non-noble metal.
The research is focused on the development of MCFC anode fabrication through simple process called dry casting. The raw materials for the anode are 90%Ni and 10%Cr. The sintering temperature and the ratio of alloy and binder (polyvinyl alcohol) mass are varied. The anode produced in this research is then characterized physically using SEM (Scanning Electron Microscopy), XRD (X-Ray Diffraction) and porosity test using ASTM Standard. Chemical characterization of the anode is analyzed by measuring the internal resistance of the anode. The result is then compared with the standard anode from The Korean Science Research and Knowledge Institute. The conclusion obtained is the optimum ratio of alloy and binder is 1:1 while the optimum sintering temperature to produce MCFC anode is 650oC with 66.41% porosity, 9.5 ±3.4 ohm internal resistance and resistivity value in range of 7.2 x 10-4 up to 1.6 x 10-3 ohm.m.
Keywords: Anode, Characterization, MCFC, Logam non-mulia
B1.1314.K.03iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga
laporan penelitian ini dapat diselesaikan dengan baik. Laporan penelitian ini disusun
memenuhi salah satu syarat kelulusan dari Program Studi Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung. Penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada para pihak
yang telah membantu dalam penyusunan laporan penelitian ini, yaitu:
1. Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko selaku dosen pembimbing yang
telah memberikan dorongan baik moral maupun materi selama proses
penyusunan dan penulisan laporam penelitian ini.
2. Dr. Isdiriayani Nurdin, Dr. Ardiyan Harimawan dan Dr. Pramujo Widiatmoko
yang telah memberikan ilmu, saran serta arahan kepada penulis selama proses
penulisan proposal penelitian ini berlangsung.
3. Dr. Yogi Wibisono Budhi selaku koordinator mata kuliah TK 4093 Penelitian
Teknologi Kimia II atas bimbingannnya dalam penulisan proposal penelitian.
4. Keluarga dan teman – teman yang telah mendukung penulis dalam penyelesaian
laporan ini.
Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak agar
penulisan laporan penelitian selanjutnya dapat lebih baik. Penulis juga berharap laporan
ini dapat memberikan manfaat dan menambah wawasan mengenai sumber alternatif
energi terbarukan yang ramah lingkungan.
B1.1314.K.03v
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan i
Surat Pernyataan ii
Abstrak iii
Abstract iv
Kata Pengantar v
Daftar Isi vi
Daftar Tabel ix
Daftar Gambar x
I Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1.2 Rumusan Masalah
1.3 Tujuan
1.4 Ruang Lingkup
1
1
4
5
5
II Tinjauan Pustaka
2.1 Fuel Cell
2.1.1 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
2.1.2 Alkaline Fuel Cell (AFC)
2.1.3 Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC)
2.1.4 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
2.1.5 Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC)
2.2 Biomassa
2.3 Gasifikasi
2.3.1 Definisi Gasifikasi
2.3.2 Proses Gasifikasi
2.3.3 Produk Gasifikasi
2.4 Metode Pembuatan Anoda Molten Carbonate Fuel Cell
2.4.1 Metode Tape Casting
7
7
10
12
12
13
13
14
15
15
16
17
18
18
B1.1314.K.03vi
2.4.2 Metode Dry Casting
2.5 Karakterisasi Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
2.5.1 Scanning Electron Microscopy (SEM)
2.5.2 X-Ray Diffraction
2.5.3 Uji Porositas dengan Standar ASTM
2.6 Penelitian Terkait
19
20
20
22
24
24
III Rencana Penelitian
3.1 Metodologi
3.2 Percobaan
3.2.1 Bahan
3.2.2 Alat
3.2.3 Prosedur
3.2.4 Variasi
3.3 Interpretasi Data
3.3.1 Analisis Karakteristik Fisik Anoda dengan SEM (Scanning
Electron Microscopy)
3.3.2 Analisis Karakteristik Fisik Anoda dengan XRD (X-Ray
Diffraction)
3.3.3 Analisis Karakteristik Kimia Anoda
3.3.4 Analisis Sifat Mekanik Anoda
27
27
28
28
28
32
33
34
34
35
35
35
IV Hasil dan Pembahasan
4.1 Tahap Awal Pembuatan Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
4.1.1 Pengaruh Penambahan Air dalam Campuran Logam – Binder
4.1.2 Pengaruh Jumlah PVA terhadap Struktur Permukaan Anoda
4.1.3 Proses Sintering Anoda
4.1.4 Uji Porositas
4.2 Karakterisasi Fisik Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
4.2.1 Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM)
4.2.2 Analisis X-Ray Diffraction (XRD)
4.3 Karakterisasi Elektrokimia Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
37
37
37
41
42
46
47
48
51
54
V Kesimpulan dan Saran 57
B1.1314.K.03vii
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
57
57
Daftar Pustaka 59
Daftar Simbol 63
Lampiran A PROSEDUR OPERASI ALAT PERCOBAAN DAN MSDS 65
Lampiran B HAZARD AND OPERABILITY (HAZOP) ALAT
PERCOBAAN
69
Lampiran C INSTRUKSI KERJA 71
Lampiran D JOB SAFETY ANALYSIS 73
B1.1314.K.03viii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Klasifikasi fuel cell berdasarkan jenis elektrolit dan temperatur
operasi
9
Tabel 2.2 Tumbuhan penghasil energi di Indonesia 15
Tabel 2.3 Komposisi produk hasil gasifikasi 17
Tabel 2.4 Penelitian terkait mengenai MCFC yang telah dilakukan 24
Tabel 3.1 Variasi penelitian 34
Tabel 4.1 Komposisi air yang harus ditambahkan pada sampel anoda 39
Tabel 4.2 Massa jenis komponen 40
Tabel 4.3 Hasil uji porositas sampel anoda 46
Tabel 4.4 Hasil pengukuran hambatan internal menggunakan ohm meter 55
Tabel 4.5 Hubungan konduktivitas elektrik dengan tebal lapisan NiO 56
B1.1314.K.03ix
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Grafik perbandingan produksi dan konsumsi minyak harian
Indonesia
2
Gambar 2.1 Skema fuel cell 7
Gambar 2.2 Prinsip operasi dari MCFC 11
Gambar 2.3 Diagram alir pembuatan anoda dengan menggunakan
metode tape casting
19
Gambar 2.4
Gambar 2.5
Gambar 2.6
Gambar 2.7
Gambar 3.1
Gambar 3.2
Gambar 3.3
Diagram alir pembuatan anoda dengan menggunakan
metode dry casting
Skema alat SEM
Difraksi sinar X oleh lapisan atom pada material
Skema alat XRD
Diagram alir metodologi penelitian
Alat dry casting: 1. alat penekan (a. tampak atas, b. tampak
depan, dan c, tampak bawah), 2. tempat bahan (a. tampak
atas dan b. tampak depan), 3. alas (a. tampak atas, b.
tampak depan, dan c, tampak bawah)
Wadah penampung anoda
19
21
22
23
27
29
30
Gambar 3.4
Gambar 3.5
Gambar 3.6
Gambar 3.7
Prinsip kerja ball mill
Oven
Furnace
Anoda MCFC Ni-10%wt Cr a) setelah oksidasi sebagian;
b) setelah oksidasi-reduksi sebagian
30
31
32
35
Gambar 4.1
Gambar 4.2
Struktur anoda 1:1 dengan penambahan air (a) < 8 tetes
tampak atas; (b) < 8 tetes tampak samping; (c) >8 tetes
tampak atas; (d) >8 tetes tampak samping
Struktur anoda 1:1 dengan penambahan air optimum 8
tetes (a) tampak atas; (b) tampak samping
Struktur permukaan anoda dengan rasio logam:binder (a)
38
39
B1.1314.K.03x
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Gambar 4.14
1:1 ; (b) 2:1 ; (c) 4:1 ; (d) 8:1
Variasi penurunan % massa PVA pada percobaan TGA
dengan laju pemanasan 10oC/menit
Anoda hasil sintering pada temperatur 700oC (a) sebelum
sintering; (b) setelah sintering.
Anoda hasil sintering pada 700oC (a) sebelum sintering ; (b)
setelah sintering.
Ruang anoda dalam furnace yang telah diperkecil
Hasil analisis SEM pada anoda konvensional dengan
perbesaran 10000x
Hasil analisis SEM anoda pada perbesaran 10000x dengan
perbandingan alloy:binder 1:1 pada temperatur (a) 650oC; (b)
700oC; (c) 900oC.
Hasil analisis SEM serbuk nikel 99%
Hasil analisis SEM serbuk nikel oksida
Kurva termogravimetri serbuk nikel pada laju pemanasan
4oC/menit
Hasil XRD anoda standar
Hasil XRD sampel anoda pada suhu sintering (a) 650oC;
(b) 700oC; (c) 900oC.
41
43
44
44
45
48
49
50
50
51
52
53
B1.1314.K.03xi
B1.1314.K.03xii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dan bertambah pesatnya pertumbuhan
ekonomi, ketergantungan terhadap sumber energi yang berasal dari bahan bakar fosil
pun terus meningkat. Indonesia merupakan negara yang sangat tergantung pada bahan
bakar fosil sebagai sumber energinya. Indonesia memiliki ketergantungan sekitar 90%
terhadap sumber energi seperti minyak bumi 54,4%, gas alam 26,5%, dan batubara
14,1% (LIPI, 2013). Data menunjukkan bahwa kebutuhan minyak bumi Indonesia per
hari mencapai 1,4 juta barel per hari (EIA, 2013). Padahal, produksi minyak dalam
negeri hanya sekitar 825.000 barel per hari. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut,
dilakukan impor minyak dan BBM dengan dana sekitar US$ 100-120 juta (ESDM,
2014).
Laporan dari Dewan Energi Dunia menyatakan bahwa pada tahun 2020 harga minyak
bumi diperkirakan akan naik 50% dari harga sekarang. Sementara Automotive Diesel
Oil (ADO) memprediksi bahwa apabila dalam waktu dekat tidak ada lagi sumber-
sumber baru minyak bumi yang ditemukan maka dalam waktu 10- 15 tahun ke depan
cadangan minyak bumi khususnya di Indonesia dipastikan akan habis. Cadangan
minyak bumi yang menipis akan menimbulkan krisis energi global dan apabila
Indonesia masih tergantung pada minyak bumi, efek krisis energi global tersebut tentu
akan dirasakan dengan gejala seperti yang dirasakan oleh Indonesia pada tahun 2004.
Penurunan produksi minyak bumi dan kenaikan konsumsi membuat pemerintah harus
membuka kran impor bahan bakar dari luar negeri. Grafik yang menyatakan hubungan
antara produksi minyak bumi dan konsumsi minyak bumi dapat dilihat pada Gambar
1.1.
B1.1314.K.031
Gambar 1.1. Grafik perbandingan produksi dan konsumsi minyak harian Indonesia(Sumber : BP Statistical Review of World Energy 2011)
Di antara sekian banyak sumber energi alternatif terbarukan, fuel cell merupakan
sumber energi yang paling menjanjikan sebagai substitusi bahan bakar fosil. Fuel cell
merupakan bahan bakar hidrogen (BBH) yang bersifat ecoenergy karena hasil dari
reaksinya merupakan air dan energi listrik serta panas. Fuel cell bekerja dengan
memanfaatkan zat dari luar seperti hidrogen dan oksigen. Hidrogen dihasilkan melalui
proses tertentu dan disimpan sedangkan oksigen berasal dari udara. Hidrogen ketika
dicampur dengan oksigen akan terjadi reaksi pembentukan air yang membebaskan
energi. Energi tersebut dikonversi menjadi listrik hingga mendekati 100% dan sisanya
adalah panas.
Hidrogen adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total
massa unsur alam semesta. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara
alami di bumi dan biasanya dihasilkan secara industri dari berbagai senyawa lain seperti
hidrokarbon, contonya metana (Muliawati, 2008). Hidrogen dapat diperoleh dari proses
tertentu seperti elektrolisis air, namun hal tersebut akan menambah biaya operasional
karena harus menambah unit lain sebagai penghasil hidrogen. Hidrogen secara industri
dihasilkan dari proses gasifikasi bahan bakar fosil namun hasil gasifikasi bahan bakar
B1.1314.K.032
fosil akan mencemari lingkungan karena menghasilkan gas COx, NOx, dan SOx.
Alternatif lain untuk memperoleh hidrogen yang digunakan untuk fuel cell adalah dari
pemanfaatan kembali gas sintesis hasil gasifikasi biomassa sehingga meningkatkan
efisiensi keseluruhan proses industri.
Salah satu jenis fuel cell yang potensial untuk dikembangkan yaitu Molten Carbonate
Fuel Cell (MCFC) yang termasuk fuel cell bertemperatur tinggi yang beroperasi pada
suhu 600 – 650oC. MCFC pertama kali dikembangkan oleh ilmuwan dari Belanda G. H.
J. Broers dan J. A. A. Ketelaar pada akhir tahun 1950an karena mereka menemukan
adanya keterbatasan pada fuel cell jenis lain. Pada tahun 1960 mereka menemukan
melaporkan bahwa mereka membuat sel yang dapat aktif selama 6 bulan dengan
campuran lithium-, natrium- dan atau kalium karbonat. Pada pertengahan tahun 1960,
the US Army’s Mobility Equipment Research and Development Center (MERDC) di Ft.
Belvoir menguji beberapa molten carbonate sel yang dibuat oleh Texas Instruments.
Rentang ukurannya dari 100 W sampai 1000 W keluaran dan dirancang untuk
menjalankan combat gasoline menggunakan alat pendukung untuk mengekstraksi
hidrogen. MCFC memiliki berbagai keunggulan diantaranya tidak membutuhkan
material mahal seperti Platinum (Pt) karena dapat digantikan dengan Nikel (Ni) yang
jauh lebih ekonomis, dapat menggunakan gas sintesis hasil gasifikasi biomassa serta
dapat menghasilkan efisiensi hingga 80% apabila didukung dengan siklus cogeneration.
Penggunaan Molten Carbonate Fuel Cell sudah mulai diaplikasikan sejak awal tahun
1990an di Jepang. MCFC dapat menghasllkan daya sebesar 1000 Watt dan dapat
berlangsung selama 10000 jam. Sudah 10 industri di Jepang yang menggunakan MCFC
sebagai sumber listrik. Pada tahun 1997 di Miramar Marine Corps Air Station, San
Diego dipasang 250 kW MCFC dan Southern Co. bekerja sama dengan Mercedes Bens
(US) mendirikan 250 kW pabrik MCFC di Mercedes’ New Museum and Visitor Center
di Tuscaloosa, Alabama,
Ancol Project merupakan salah satu aplikasi pengembangan MCFC di Indonesia
dengan skala 300 kW. Proyek ini melibatkan kerja sama dengan POSCO Power pada
akhir tahun 2012. POSCO Power akan menggabungkan modul fuel cell dengan sumber
B1.1314.K.033
tenaga lokal dan memasang pembangkit listrik berbasis fuel cell di Ancol, Jakarta.
Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan pembangkit listrik berbasis MCFC
adalah ramah lingkungan, efisien dan dapat diandalkan. POSCO Power akan memulai
proyek dengan skala mega watt (MW) di Asia Tenggara, mulai dari Indonesia kemudian
Thailand, Malaysia dan Singapura (Aldous, 2011).
1.2. Rumusan Masalah
Dewasa ini, permintaan penggunaan energi di Indonesia terus meningkat dari tahun ke
tahun namun tidak diimbangi dengan cadangan energi yang tersedia di Indonesia.
Faktor yang menyebabkan permintaan energi yang tinggi adalah kemajuan teknologi,
pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk. Fuel cell merupakan salah satu
teknologi yang dapat dikembangkan untuk menghasilkan energi karena sifatnya yang
ramah lingkungan.
Fuel cell merupakan teknologi yang dapat menghasilkan energi dengan efisiensi yang
tinggi dan sedikit polusi. Fuel cell juga menggunakan bahan bakar yang jumlahnya tak
terbatas. Pada umumnya fuel cell menggunakan gas H2 sebagai bahan bakar dan gas O2
yang dapat diperoleh dari udara untuk bereaksi dengan H2 membentuk H2O. Salah satu
jenis yang potensial yaitu Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), fuel cell bertemperatur
tinggi (600oC) yang dapat dikembangkan di Indonesia karena MCFC dapat
menggunakan bahan yang lebih murah dibandingkan dengan penggunaan logam mulia.
Nikel merupakan salah satu bahan yang dapat digunakan sebagai elektroda sehingga
penggunaan MCFC lebih ekonomis apabila dibandingkan dengan penggunaan fuel cell
dengan elektroda logam mulia. MCFC juga dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi
bahkan sampai 80% apabila didukung dengan siklus cogeneration.
Proses pembuatan anoda fuel cell dapat menggunakan metode tape casting. Metode
tape casting memerlukan teknologi yang tinggi dan cenderung mahal dan merupakan
proses yang panjang dan kompleks, yang meliputi persiapan slurry dalam membuat
lembaran, deaerasi, tahap utama tape casting dan pelarut organik yang beracun dan
B1.1314.K.034
berbahaya. Jika ditinjau dari segi ekonomi, metode ini cenderung membutuhkan waktu
yang panjang dan biaya yang tinggi sehingga metode ini tergolong tidak ekonomis.
Untuk menjawab permasalahan di atas, dilakukan pengembangan metode dry casting
yang menggunakan teknologi sederhana dan lebih murah untuk membuat anoda MCFC
yang memiliki rasio logam nikel-krom yang optimum sehingga proses pembuatannya
dapat lebih terjangkau dan ramah lingkungan serta penggunaan bahan baku logam non-
mulia sebagai elektroda MCFC.
1.3. Tujuan
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengkarakterisasi reaksi elektrokimia Molten
Carbonate Fuel Cell (MCFC) yang dibuat menggunakan bahan logam non-mulia.
Tujuan khusus penelitian ini adalah mengkarakterisasi anoda MCFC yang dibuat
dengan menggunakan metode dry casting untuk memperoleh rasio nikel-krom dengan
binder dan suhu sintering yang optimum untuk menghasilkan anoda yang baik.
1.4. Ruang Lingkup
Percobaan dilakukan pada tekanan ruang, 1 atm dan temperatur operasi 650oC dengan
melakukan variasi rasio massa logam terhadap massa binder serta temperatur sintering
anoda MCFC. Anoda MCFC yang digunakan merupakan campuran logam Ni dengan
logam Cr dengan komposisi 90% Ni dan 10% Cr. Karakterisasi fisik anoda MCFC
menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction (XRD) dan
ASTM C373-88 sedangkan karakterisasi elektrokimia anoda MCFC dengan cara
mengukur hambatan internal anoda. Karakteristik anoda hasil sintesis akan
dibandingkan dengan anoda standar yang diperoleh dari Institusi Riset Ilmu
Pengetahuan Korea.
B1.1314.K.035
B1.1314.K.036
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fuel Cell
Fuel cell adalah suatu alat elektrokimia yang secara langsung mengkonversi energi
kimia yang terdapat didalamnya menjadi energi listrik (EG&G Technical Service,
2004). Fuel cell terdiri dari dua elektroda, negatif dan positif, yang dikenal dengan
sebutan katoda dan anoda. Reaksi elektrokimia terjadi di elektroda. Fuel cell juga terdiri
dari elektrolit yang dapat menghantarkan partikel bermuatan listrk dari satu elektroda
menuju elektroda yang lain, serta katalis yang berfungsi untuk mempercepat reaksi yang
terjadi di elektroda.
Gambar 2.1. Skema fuel cell. (EG&G Technical Service, 2004)
Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell:
2H2 + O2 2H2O
Hidrogen merupakan bahan bakar yang paling umum digunakan pada fuel cell namun
fuel cell juga membutuhkan oksigen. Pada anoda, dialirkan bahan bakar hidrogen secara
berkesinambungan sedangkan pada katoda dialirkan oksigen. Reaksi yang terjadi di
anoda adalah elektrolisis hidrogen menjadi elektron – elektron bebas. Atom hidrogen
terionisasi menjadi ion hidrogen bermuatan positif. Elektron bermuatan negatif
B1.1314.K.037
menghasilkan arus melalui kabel pada alat fuel cell.
Reaksi kimia yang terjadi pada anoda:
2H2 4H+ + 4 e-
Oksigen pada katoda bergabung dengan elektron dan ion hidrogen yang melalui
elektrolit dari anoda. Oksigen mengikat elektron dan bergerak melalui elektrolit menuju
anoda dan bergabung dengan hidrogen.
Reaksi kimia yang terjadi pada katoda:
O2 + 4H+ + 4 e- 2H2O
Pada elektrolit, hanya ion-ion tertentu yang dapat melalui anoda dan katoda. Apabila
elektron bebas dan senyawa lain dapat melewati elektrolit, maka senyawa-senyawa
tersebut dapat mengganggu reaksi kimia yang terjadi. Hidrogen dan oksigen bereaksi
membentuk molekul air yang dikeluarkan dari sel. Pada prinsipnya, fuel cell akan terus
menghasilkan energi selama bahan bakar tetap dialirkan.
Menurut Chris dan Scott (2003), fuel cell memiliki beberapa kelebihan dibandingkan
dengan pembangkit listrik konvensional, diantaranya:
1. Tidak mengeluarkan emisi suara
2. Efisiensi energi cukup tinggi
3. Ramah lingkungan karena bebas emisi polutan
4. Dapat digunakan dalam berbagai jenis aplikasi penggunaan
Fuel cell memiliki efisiensi yang baik karena 50 – 70 % bahan bakar yang digunakan
dikonversi menjadi energi listrik, bahkan dapat mencapat 90% jika diterapkan
pemanfaatan panas kembali. Apabila fuel cell diintegrasikan dengan sistem pembangkit
panas dan listrik, maka teknologi tersebut dapat memberikan kontribusi dalam
pengurangan emisi gas CO2 (Birnbaun dkk., 2008). Fuel cell dapat diaplikasikan untuk
menghasilkan energi untuk telepon genggam, komputer dan pembangkit listrik seperti
pada rumah sakit, gedung perkantoran, sekolah dan kendaraan transportasi.
Secara umum, fuel cell dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis elektrolit yang
digunakan dan temperatur operasi. Klasifikasi fuel cell disajikan dalam Tabel 2.1.
B1.1314.K.038
Tabel 2.1. Klasifikasi fuel cell berdasarkan jenis elektrolit dan temperatur operasi. (Suhada, 2001)
Jenis ElektrolitTemperatur
Operasi (oC)Karakteristik Penggunaan
Alkaline (AFC) Kalilauge
(KOH)
60 – 120 Efisiensi energi
tinggi, memiliki
kepekaan
terhadap CO2
Pesawat luar
angkasa,
kendaraan
Polymer
Exchange
Membrane
(PEM)
Polymer
electrolyte
(H+)
60 – 100 Kerapatan energi
tinggi, memiliki
kepekaan
terhadap CO (<
100ppm)
Kendaraan,
stasiun
pembangkit
panas
Phosphoric
Acid Fuel Cell
(PAFC)
Phosphor
Acid (H+)
160 – 200 Efisiensi energi
terbatas, pea
terhadap CO (<
1.5% v/v)
Stasiun
pembangkit
panas,
kendaraan
Molten
Carbonate
Fuel Cell
(MCFC)
Molten
Carbonate
(CO32-)
500 – 650 Rentan korosi Stasiun
pembangkit
energi listrik,
stasiun
pembangkit
energi panas
Solid Oxyde
Fuel Cell
(SOFC)
Lapisan
Keramik
(O2-)
800 – 1000 Efisiensi sistem
tinggi, temperatur
operasi perlu
diturunkan
Pembangkit
energi panas,
penggabung
stasiun
pembangkit
dengan turbin
gas
B1.1314.K.039
Secara umum, jenis elektrolit yang terdapat dalam fuel cell akan menentukan jenis sel
bahan bakar, jenis reaksi elektrokimia yang terjadi didalamnya, jenis katalis yang
digunakan, jenis bahan bakar yang diperlukan serta rentang temperatur kerja fuel cell
(Chris dan Scott, 2003).
2.1.1. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) beroperasi pada temperatur sekitar 650 oC dan
memiliki efisiensi yang tinggi (40 – 60%). Temperatur tinggi dibutuhkan untuk
mendapatkan konduktivitas yang baik pada elektrolit karbonat, namun MCFC
membutuhkan logam yang tidak mahal. Temperatur tinggi juga membuat sel
elektrokimia dapat berlangsung tanpa menggunakan katalis logam mulia seperti platina.
Pada umumnya MCFC menggunakan paduan logam nikel (anoda) dan nikel oksida
(katoda). Elektroda ini pada temperatur operasi MCFC dapat berperan sebagai katalis
untuk mendorong reaksi elektrokimia.
Elektrolit pada MCFC biasanya menggunakan alkali karbonat yang berada di dalam
matriks LiOAlO2. Pada suhu operasi MCFC alkali karbonat akan membentuk lelehan
garam yang memiliki koduktivitas yang sangat baik. Konduktivitas ini disebabkan
karena adanya ion karbonat dalam lelehan.
Reaksi setengah sel yang terjadi pada anoda dan katoda MCFC adalah
Anoda : H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e-
Katoda : ½ O2 + CO2 + 2e- CO32-
Reaksi keseluruhan : H2 + : ½ O2 + CO2 (katoda) H2O + CO2 (anoda)
Bahan bakar yang digunakan pada MCFC adalah hidrogen, oksigen, dan karbon
dioksida. Oksigen diperoleh dari udara dan CO2 yang dibutuhkan pada katoda dapat
diperoleh dari sumber luar atau dapat didaur ulang dari CO2 yang dihasilkan pada
anoda. Untuk memisahkan CO2 dari gas lain yang dihasilkan pada anoda dapat
digunakan separator yang berupa membran. Karbon dioksida pada katoda kemudian
diubah menjadi ion karbonat yang berfungsi sebagai penghantar listrik pada elektrolit.
B1.1314.K.0310
Gambar 2.2. Prinsip operasi dari MCFC. (Perez dkk., 1991)
Kelebihan MCFC dibandingkan dengan jenis fuel cell lain adalah :
1. Murah karena elektrokatelisnya tidak meggunakan logam mulia (EG&G, 2004)
2. Katalis tidak akan teracuni oleh CO karena bukan dari logam mulia
3. Lebih ramah lingkungan
4. Emisi gas CO2 dapat didaur ulang untuk reaksi di katodik
5. Peralatan yang digunakan relatif lebih sederhana
6. Bahan bakarnya dapat menggunakan gas hasil gasifikasi biomassa
7. Menghasilkan daya dalam skala besar (100 kW – 10 MW) sehingga sangat
cocok untuk pembangkit listrik skala menengah (Beomjoo dkk., 2011)
8. Efisiensi arus mencapai 40 – 60% jika dibandingkan dengan jenis fuel cell lain
yang hanya mencapai 35% dan jika gas buang (CO2) dari anoda dialirkan lagi ke
katoda serta panas reaksinya dimanfaatkan maka efisiensinya dapat mencapai 60
– 80% (Beomjoo dkk., 2011)
Selain kelebihan yang disebutkan di atas MCFC juga memiliki beberapa kekurangan
yang menyebabkan umur operasi berkurang dan meningkatkan biaya operasional seperti
berkurangnya jumlah elektrolit karena evaporasi pada temperatur yang tinggi dan
terjadinya korosi pada elektroda, cell frame, dan current collector (Frangini, 2007).
MCFC dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan bahan bakarnya, yaitu :
1. MCFC internal reforming
B1.1314.K.0311
MCFC jenis ini menggunakan gas alam sebagai bahan bakarnya. Beberapa
perusahaan telah mengembangkan MCFC jenis ini, seperti Fuel Cell Energy
(FCE) di USA dengan kapasitas 11,5 MW.
2. MCFC external reforming
Perusahaan yang telah mengembangkan MCFC jenis ini adalah Ansaldo Fuel
Cell Italia (AFCO) dengan kapasitas 500 kW, Ishikawajima-Harima Heavy
Industry (IHI) dan pusat penelitian Research Institute for Electric Power
Industry (CRIEPI).
2.1.2. Alkaline Fuel Cell (AFC)
Alkaline Fuel Cell adalah fuel cell modern pertama yang dikembangkan pada tahun
1960. Pada saat itu, AFC diaplikasikan pada pesawat luar angkasa Apollo untuk
menyediakan energi listrik dalam pesawat. Union Carbide Corp. (UCC)
mengembangkan AFC untuk perjalanan luar angkasa sejak akhir 1950 hingga awal
1970. UCC menggunakan karbon sebagai elektrodanya dan cairan kaustik sebagai
elektrolitnya dengan nikel sebagai current collector.
Reaksi yang terjadi di AFC adalah :
Anoda : H2 + 2OH- 2H2O + 2e-
Katoda : ½ O2 + 2H2O + 2e- 2OH-
2.1.3. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) adalah fuel cell pertama yang dikomersialkan.
Kebanyakan pabrik memiliki kapasitas 50 – 200 kW namun pabrik besar dapat
membangun PAFC dengan kapasitas hingga 11 MW. Perusahaan yang ikut
mengembangkan PAFC adalah UTC Fuel Cell di USA dan Fuji Electric Corporation,
Toshiba Corporation, dan Mitsubishi Electric Corporation di Jepang.
PAFC menggunalan katalis logam mulia seperti platina (Pt) atau paduan platina pada
B1.1314.K.0312
kedua elektroda sehingga akan meningkatkan biaya produksinya dan platina dapat
teracuni oleh gas CO yang berasal dari bahan bakarnya.
Reaksi yang terjadi dalam PAFC adalah :
Anoda: H2 2H+ + 2e-
Katoda: ½ O2 +2H+ + 2e- H2O
2.1.4. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) merupakan fuel cell dengan elektrolit padat yaitu oksida
logam yang tidak berpori, biasanya menggunakan ZrO2 yang distabilkan dengan Y2O3.
Temperatur operasi SOFC berada pada rentang 600 – 1000 oC dan perpindahan ion
dilakukan oleh oksigen. Elektroda yang digunakan biasanya berupa Ni-ZrO2 sebagai
anoda dan Sr-LaMnO3 sebagai katoda. SOFC tidak menggunakan elektrolit cair
sehingga tidak menimbulkan korosi. Sekarang SOFC dengan densitas energi yang
tingggi sudah dapat dioperasikan pada temperatur lebih rendah (700 – 850 oC).
2.1.5. Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC)
Pada fuel cell jenis PEFC elektrolit yang digunakan adalah membran penukar ion yang
merupakan konduktor proton sangat baik. Cairan yang terdapat pada fuel cell ini adalah
air. sehingga kemungkinan terjadinya korosi sangat kecil. Elektroda karbon dengan
katalis elektroda platinum digunakan untuk anoda dan katoda.
Pengelolaan air dalam membran merupakan sesuatu yang penting dalam menentukan
efisiensi kinerja fuel cell. Fuel cell harus beroperasi dalam kondisi dimana produk
samping berupa air tidak menguap lebih cepat daripada proses terbentuknya produk
tersebut karena membran harus tetap basah. PEFC biasa digunakan untuk aplikasi pada
kendaraan (Fuel Cell Vehicles). Aplikasi yang lebih banyak dikembangkan dalam
penerapan PEFC adalah pada otomotif dan portable apllications.
B1.1314.K.0313
2.2. Biomassa
Biomassa adalah istilah untuk semua bahan yang dihasilkan dari fotosintesis oleh
makhluk hidup yang ada di permukaan bumi, dimana sumber dari segala energi dalam
biomassa berasal dari matahari. Biomassa mengandung energi tersimpan yang
jumlahnya cukup banyak. Biomassa dimanfaatkan sebagai sumber bahan bakar nabati
(biofuel), dan dari bahan bakar nabati dapat dikembangkan lagi menjadi biokerosen
(minyak tanah), biodiesel, dan bioetanol. Biomassa adalah satu – satunya sumber energi
terbarukan yang dapat diubah menjadi bahan bakar cair (biofuel) yang dapat digunakan
sebagai bahan bakar kendaraan bermotor. Jenis biofuel yang banyak dikenal adalah
biodiesel, biogas, dan bioetanol.
Indonesia mempunyai potensi biomassa yang besar yang dapat menghasilkan biofuel
karena sumber daya hayati yang dimiliki baik di darat maupun di perairan. Menurut
penelitian ada beberapa biomassa yang dapat dimemiliki potensi menjadi bahan bakar
alternatif, yaitu :
1. Kelapa sawit, jarak pagar, sirsak, srikaya, dan kapuk sebagai sumber bahan
bakar pengganti solar (minyak diesel).
2. Tebu, jagung, sagu, singkokng, ubi jalar, dan ubi-ubian yang lain sebagai
sumber bahan bakar pengganti premium.
3. Azolla dan alga memiliki potensi sebagai sumber bahan bakar pengganti minyak
tanah dan minyak bakar untuk penerbangan.
Beberapa tumbuhan yang memiliki potensi sebagai penghasil energi di Indonesia
disajikan dalam Tabel 2.2.
Selain dapat diolah menjadi biofuel, biomassa dapat digasifikasi. Gasifikasi merupakan
proses yang mengubah biomassa padat menjadi gas sintesis atau gas alam yang mudah
terbakar dengan menggunakan uap panas. Proses gasifikasi dapat mengubah hampir
semua bahan organic padat menjadi gas bakar bersih atau netral. Gas hasil gasifikasi
dapat digunakan sebagai pembangkit listrik, sumber energi, maupun sebagai pamanas.
Gas yang dihasilkan pada gasifikasi biomassa disebut dengan gas sintesis yang dominan
dengan gas H2, CO, dan CH4. Bahan bakar yang umumnya digunakan untuk gasifikasi
B1.1314.K.0314
adalah bahan bakar padat seperti batubara.
Tabel 2.2. Tumbuhan penghasil energi di Indonesia. (Sumber: Business Week edisi 15 Maret 2006)
Jenis TumbuhanProduksi Minyak
(Liter per Ha)
Ekivalen Energi
(kWh per Ha)
Elaeis guineensis (kelapa sawit) 3.600-4.000 33.900-37.700
Jatropha curcas (jarak pagar) 2.100-2.800 19.800-26.400
Aleurites fordii (biji kemiri) 1.800-2.700 17.000-25.500
Saccharum officinarum (tebu) 2.450 16.000
Ricinus communis (jarak kepyar) 1.200-2.000 11.300-18.900
Manihot esculenta (ubi kayu) 1.020 6.600
2.3. Gasifikasi
2.3.1. Definisi Gasifikasi
Gasifikasi dapat dijelaskan sebagai proses oksidasi tidak sempurna (partial oxidation)
atau konversi secara termal secara bertahap untuk mengubah bahan baku atau umpan
padat yang mengandung hidrokarbon yang biasanya berasal dari kayu atau batubara
menjadi bahan bakar gas (gas sintesis) atau produk dengan heating value yang masih
dapat digunakan (Higman dan Burgt, 2008). Proses gasifikasi berlangsung secara
endotermik yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas sintesis yang mudah
terbakar. Proses ini membutuhkan oksidator berupa steam, udara, atau oksigen.
Teknologi gasifikasi sudah dikenal cukup lama sebagai penghasil gas untuk bahan bakar
alternatif pengganti bahan bakar cair atau padat. Salah satu pertimbangan penggantian
jenis bahan bakar cair dan padat menjadi gas adalah campuran gas mudah dimurnikan
dan konversi bahan bakar gas lebih tinggi.
B1.1314.K.0315
2.3.2. Proses Gasifikasi
Konversi bahan bakar padat menjadi gas dilakukan dalam serangkaian tahapan.
Rangkaian proses ini terjadi dalam beberapa reaksi selama proses gasifikasi, reaksi-
reaksi tersebut adalah (Higman dan Burgt, 2008):
1. 2C + O2 2CO
2. C + O2 CO2
3. C + CO2 2CO (Boudouard reaction)
4. CO + H2O CO2 + H2 (shift reaction)
5. C + H2O CO + H2 (water gas reaction)
6. C + 2H2 CH4
7. 2H2 + O2 2H2O
8. CO + 2H2 CH3OH
9. CO + 3H2 CH4 + H2O (reaksi metanasi)
10. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
11. C + 2H2O 2H2 + CO2
12. 2C + H2 C2H2
13. CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 (steam methane reforming reaction)
Proses gasifikasi secara garis besar terdiri dari empat tahap, yaitu pengeringan, pirolisis,
pembakaran atau oksidasi, dan reduksi (Capart dkk., 1980). Gasifikasi dilakukan dalam
tahapan yang terpisah hingga dapat menyalakan api dan mempertahankan gas yang
mudah terbakar dalam bentuk gas lalu mengalirkan dalam gasifier pada temperatur
tertentu yang berbeda pada masing-masing tahapan. Proses pengeringan, pirolisis, dan
reduksi bersifat endotermik, sedangkan proses oksidasi bersifat eksotermik.
Proses gasifikasi dapat dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu small industrial-scale
gasifier, entrained flow gasifiers, fluidised bed gasifiers, dan sistem gabungan (hybrid).
Pemilihan reaktor gasifikasi didasari oleh beberapa faktor seperti kondisi umpan dan
kondisi reaksi. Hasil keluaran dari reaktor gasifikasi berupa gas panas.
B1.1314.K.0316
2.3.3. Produk Gasifikasi
Tabel 2.3. Komposisi produk hasil gasifikasi. (Ciferno dan Marano, 2002)
Produk gasifikasi terdapat dalam 3 fasa, yaitu padat, cair, dan gas. Produk padat berupa
arang, produk cair berupa minyak dan tar, dan produk utama berupa gas yang
mengandung karbon monoksida, karbon dioksida, hidrogen, metana, dan sedikit
hidrokarbon lainnya, jika digunakan udara sebagai oksidator maka juga akan terdapat
nitogen dan air.
Produk gas dari gasifikasi dapat berupa gas dengan kandungan energi tinggi, sedang,
dan rendah. Gas dengan kandungan energi tinggi mengandung metana murni, gas
dengan kandungan energi rendah sebagian besar mengandung karbon monoksida dan
hidrogen, dan gas dengan kandungan energi rendah mengandung sekitar 50% gas
nitrogen, dengan jumlah bahan bakar seperti hidrogen dan karbon monoksida yang lebih
sedikit, serta mengandung karbon dioksida dan metana. Komposisi produk hasil
B1.1314.K.0317
Jenis Gasifier
BFB CFB MCTI
Umpan Bervariasi Bervariasi Biomassa (kayu)
H2 5-16 7-20 14,9
CO 13-27 9-22 46,5
CO2 12-40 11-16 14,6
H2O <18 10-14 0
CH4 3-11 <9 17,8
C2+ <3 <4 6,2
Tar <0,11 <1 -
H2S ~0 ~0 -
O2 <0,2 0 0
NH3 0 0 0
N2 13-56 46-52 0
H2/CO 0,2-1,6 0,6-1,0 0,3
Panas pembakaran
(MMBtu/ft3)120-389 120-224 538
gasifikasi disajikan dalam Tabel 2.3.
2.4. Metode Pembuatan Anoda Molten Carbonate Fuel Cell
2.4.1. Metode Tape Casting
Tape casting merupakan proses untuk memproduksi lapisan keramik tipis dan dengan
luas permukaan yang luas. Serbuk keramik mentah dan agen pendisspersi didispersikan
dalam larutan dan dicampur dengan sistem binder organik. Selama proses pengeringan
cairan pendispersi akan menguap saat ketebalan tape berkurang. Tape casting
merupakan salah satu teknologi pembuatan elektroda pada fuel cell bertemperatur
tinggi. Kelebihan dari metode tape casting adalah dapat mengatur ketebalan dari
lembaran keramik yang memiliki permukaan yang luas dengan baik. Tujuan metode
bertemperatur tinggi adalah membuat lembar elektroda berdimensi tertentu yang
memberikan unjuk kerja optimal (Jingtao dkk., 2010).
Pembuatan elektroda dengan metode tape casting dilakukan dengan mencampurkan
bahan organic dan binder lalu digiling dengan ball milling untuk mendapat karakteristik
campuran yang baik. Tape casting dilakukan pada temperatur 35 oC. Lembaran
elektroda disusun dengan arah yang berbeda kemudian dilapisi elektrolit dan ditekan
pada tekanan 35 kN pada temperatur 70 oC. Kemudian hasilnya dikeringkan pada
temperatur 100 oC selama 24 jam. Diagram alir pembuatan anoda dari campuran Ni
dengan menggunakan metode tape casting ditunjukkan pada Gambar 2.3.
2.4.2. Metode Dry Casting
Tahap awal dari metode dry casting adalah pre-treatment. Pada persiapan awal, bahan
dasar pembuat elektroda dicampur dengan campuran yang memiliki komposisi tertentu.
Campuran kemudian digiling sampai homogen. Setelah itu campuran ditekan dengan
B1.1314.K.0318
menggunakan hydraullic pressing machine dengan kapasitas tekanan sebesar 60 kN/m2
sehingga diperoleh elektroda dalam bentuk pelet. Metode dry casting memiliki beberapa
keuntungan diantaranya dapat meningkatkan jumlah produksi disertai penurunan jumlah
material dan harga yang digunakan serta meningkatkan kekuatan dan daya tahan karena
mengandung sedikit air dalam campuran. Diagram alir pembuatan anoda dari campuran
Ni dengan menggunakan metode dry casting ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.3. Diagram alir pembuatan anoda dengan menggunakan metode tape casting. (Mingoo dkk., 2012)
Gambar 2.4. Diagram alir pembuatan anoda dengan menggunakan metode dry casting. (Mingoo dkk., 2012)
2.5. Karakterisasi Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
B1.1314.K.0319
Karakterisasi anoda pada MCFC dapat dilakukan dengan dua metode yaitu fisik dan
kimia. Karakterisasi fisik pada anoda bertujuan untuk mengetahui sifat fisik anoda
seperti komposisi material, porositas dan struktur mikronya sedangkan karakterisasi
kimia pada anoda bertujuan untuk melihat kelakuan reaksi kimia dalam anoda.
Karakterisasi fisik dapat dilakukan dengan menggunakan metode Scanning Electron
Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction serta uji porositas dengan menggunakan standar
American Society for Testing and Material (ASTM). Karakterisasi secara kimia dapat
dilakukan dengan menggunakan ohm meter.
2.5.1. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mengamati morfologi
permukaan dan komposisi objek spesimen dengan pemetaan. Prinsipnya menyerupai
mikroskop cahaya, namun menggunakan cahaya berkas elektron. Berkas elektron
difokuskan dengan medan magnet dan berinteraksi dengan aton – atom dalam spesimen.
SEM dapat melakukan perbesaran hingga 3x106 kali. SEM dapat dihubungkan dengan
EDS (energy dispersive spectroscopy) yang menganalisa sinar x-ray yang dihasilkan
dari interaksi SEM dengan spesimen yang diamati. SEM terdiri dari beberapa peralatan
utama, yaitu :
1. Pemancar elektron berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah
melepaskan elektron.
2. Lensa magnetik untuk memfokuskan berkas elektron.
3. Detektor elektron.
4. Sistem vakum untuk membantu elektron berjalan lebih mudaj menuju sasaran.
Elektron yang digunakan sebagai pemindai akan dipercepat dengan memberikan beda
potensial. Untuk memusatkan arus elektron yang memilik sudut yang cukup besar
digunakan lensa elektromagnetik. Elektron yang terfokuskan ini akan mengenai seluruh
permukaan sampel, lalu sampel akan menghasilkan elektron baru yang akan diterima
oleh detektor dan dikirim ke monitor.
B1.1314.K.0320
Kelebihan dalam menggunakan metode SEM yaitu:
- Preparasi sampel yang sederhana
- Ukuran sampel yang cukup besar
- Rentang perbesaran yang sangat luas
Kekurangan dalam menggunakan metode SEM yaitu:
- Resolusinya relatif rendah
- Harus menggunakan vakum
- Hanya dapat mengamati permukaan
- Memerlukan pelapisan dengan Au
Gambar 2.5. Skema alat SEM. (Sumber: http://serc.carleton.edu/research_education/ geochemsheets/techniques/SEM.html)
2.5.2. X-Ray Diffraction
B1.1314.K.0321
Sinar X dapat digunakan untuk tujuan pemeriksaan yang tidak merusak objek yang
diteliti baik itu berupa material maupun manusia. Sinar X dapat menghasilkan pola
difraksi tertentu yang dapat digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif pada
material. Saat suatu material dikenai sinar X, maka intensitas sinar yang ditransmisikan
lebih rendah dibandingkan intensitas sinar yang datang. Hal ini disebabkan karena
adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan oleh atom-atom yang
terkandung dalam material tersebut. Berkas sinar X yang dihamburkan ada yang saling
menghilangkan karena fasanya sama sedangkan berkas sinar X yang saling menguatkan
disebut dengan difraksi. Teknik X-Ray Diffraction digunakan untuk mengidentifikasi
fasa kristalin dalam material dengan menentukan parameter struktur kisi dan untuk
mendapatkan ukuran partikel.
Gambar 2.6. Difraksi sinar X oleh lapisan atom pada material. (Sumber: http://www.spec2000.net/09-xrd.htm)
Difraksi sinar X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar X oleh atom dalam
sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar X dalam fasa tersebut memberikan
interferensi yang saling menguatkan (konstruktif). Persamaan Bragg merupakan
persamaan dasar yang digunakan dalam metode XRD, yaitu:
n = 2d sin (2.1)
Berdasarkan persamaan Bragg, apabila sinar X dijatuhkan pada sampel material, maka
lapisan pada material tersebut akan membiaskan sinar X yang panjang gelombangnya
sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan ditangkap oleh
detektor yang kemudian dibaca sebagai puncak difraksi. Semakin banyak lapisan pada
B1.1314.K.0322
material, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkan. XRD terdiri dari tiga unit
utama yaitu tabung sinar X, tempat objek yang ingin diteliti dan detektor sinar X.
Gambar 2.7. Skema alat XRD. (Dhanaraj dan Rajesh, 2013)
Kegunaan metode XRD adalah:
1. Membedakan material yang bersifat kristal dengan amorf.
2. Mengukur berbagai macam penyimpangan kristal.
3. Mengkarakterisasi material kristal.
4. Identifikasi mineral berbutir halus dengan menggunakan kamera khusus (Gandolfi).
5. Menentukan unit sel, panjang ikatan, sudut ikatan dan susunannya.
6. Mengkarakterisasi ikatan kation-anion.
Kelebihan metode XRD adalah:
1. Tidak perlu adanya proses pemisahan.
2. Non-destructive
3. Menghasilkan struktur kristal secara jelas, termasuk dimensi sel, panjang ikatan,
sudut ikatan serta susunannya.
4. Dapat mengidentifikasi mineral berbutir halus.
5. Dengan menggunakan ruang khusus, struktur fasa pada tekanan dan temperatur tinggi
dapat ditentukan.
Kelemahan metode XRD adalah:
1. Sampel harus berukuran 50-250 mikron.
B1.1314.K.0323
2. Membutuhkan waktu yang lama untuk mendapatkan data, 24 – 72 jam.
3. Sulit untuk menentukan struktur objek berupa bubuk (powder).
2.5.3. Uji Porositas dengan Standar ASTM
Porositas merupakan salah satu penyebab diskontinuitas dalam pelapisan elektrokimia
(electroplated coating). Pori dapat membuat zat terekspos ke agen pengkorosi,
mengurangi kekuatan mekanik, dan mempengaruhi sifat elektriknya. Uji porositas dapat
dilakukan dengan meode ASTM C373-88 (American Society for Testing and Material)
dengan basis perhitungan porositas adalah air. Porositas dapat ditentukan dengan
persamaan 2.2.
Porositas=(W 3−W 1)(W 3−W 2)
(2.2)
2.6. Penelitian Terkait
Tabel 2.4. Penelitian terkait mengenai MCFC yang telah dilakukan.Penulis Kesamaan terkait Hasil dan kesimpulan
Nasution, R., 2013
Penggunaan metode karakterisasi elektroda MCFC menggunakan SEM, XRD, ASTM C373-88 dan EIS serta penggunaan elektrolit LiCO3/K2CO3 pada MCFC
Perubahan laju alir total umpan elektroda mempengaruhi tahanan perpindahan massa jika T = 600oC karena laju reaksi lebih lambat. Jika laju alir konstan dan temperatur dinaikkan maka impedansi sel akan semakin kecil karena laju reaksi semakin cepat, hasil karakterisasi menunjukkan bahwa struktur necking tidak hancur setelah elektroda digunakan serta porositas elektroda menjadi besar jika dilakukan ekstraksi terhadap elektroda setelah proses oksidasi dan lithiation.
Feng dkk., 2010
Penggunaan biomassa untuk memperoleh gas sintesis (syngas)
Temperatur berpengaruh pada proses gasifikasi arang dari biomassa. Semakin tinggi temperatur maka H2
yang dihasilkan dan efisiensi konversi karbon akan jauh lebih tinggi. Jumlah uap yang tepat juga dapat meningkatkan efisiensi H2 yang dihasilkan dan efisiensi konversi karbon. Hasil tertinggi yang diperoleh adalah 2.44 Nm3/kg gas kering dan efisiensi konversi karbon mencapai 95.78% pada temperatur 850oC dengan laju alir uap 0.165 g/min/g biomass
B1.1314.K.0324
Tabel 2.4. Penelitian terkait mengenai MCFC yang telah dilakukan (lanjutan).Penulis Kesamaan terkait Hasil dan kesimpulan
Iaquaniello dan Mangiapane, 2006
Penggunaan produk hasil gasifikasi biomassa untuk MCFC
Analisis biaya menghasilkan total capital cost on investment (TCI) pada rentang 1300-
2000€. Proses yang paling berpengaruh pada TCI adalah 45% untuk dua tahap kompresi, 30% untuk menghilangkan partikulat, tar dan alkali sedangkan 35% untuk menghilangkan halida, H2S dan COS. Harga yang tinggi disebabkan karena absorben yang digunakan untuk menghilangkan H2S dan COS. Hasil dari analisis menunjukkan bahwa pembersihan gas panas dan kompresi syngas merupakan bagian yang terbanyak memberikan biaya investasi yang besar pada sistem gasifikasi biomassa pada tekanan atmosfer dan MCFC bertekanan. Diperlukan analisis lebih lanjut untuk mencari kondisi operasi yang optimum untuk gasifier uap untuk memproduksi syngas dengan komposisi H2 dan CO yang tinggi dan tidak mengandung banyak kontaminan serta tekanan operasi MCFC.
Yunsung dkk., 2006
Penggunaan campuran logam Ni sebagai anoda MCFC
Dari analisis mikrostruktural, ketahanan sintering anoda Ni/7%wt Ni3Al dan Ni/5%wt Ni3Al/5%wtCr dapat ditingkatkan dengan memperlambat gerakan batas butir nikel karena Ni3Al tersebar dalam matrik nikel dan ketahanan mulur dapat ditingkatkan dengan menghambat laju perpindahan massa dibawah tekanan yang ditetapkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kedua anoda tersebut memiliki ketahanan mulur yang tinggi sehingga dapat digunakan sebagai anoda berpori pada MCFC.
Tomasi dkk., 2006
Penggunaan produk hasil gasifikasi biomassa sebagai umpan pada MCFC
Efisiensi yang dihasilkan dengan mengintegrasikan gasifier fluidized-bed dengan MCFC adalah 43 – 49%. Fraksi energi panas yang dihasilkan apabila dimanfaatkan akan memungkinkan untuk mencapai efisiensi exergy global yaitu 78 – 81% dan melepas syngas bertemperatur 800oC tanpa menggunakan umpan uap di gasifier dan 250oC dari keluaran / buangan burner. Hal ini akan menguntungkan apabila memanfaatkannya sebagai umpan panas dalam pabrik. Pengaruh yang diberikan ke lingkungan juga sangat rendah sehingga hal ini dapat diaplikasikan untuk mendistribusikan produksi energi khususnya di kota-kota kecil atau desa di daerah pegunungan dimana terdapat banyak limbah biomassa yang dihasilkan, sedangkan biaya pengolahan limbah biomassa cenderung
B1.1314.K.0325
Tabel 2.4. Penelitian terkait mengenai MCFC yang telah dilakukan (lanjutan).Penulis Kesamaan terkait Hasil dan kesimpulan
relatif tinggi. Relokasi untuk membangkitkan listrik akan menghasilkan perngurangan kehilangan distribusi listrik dan dapat bersaing secara efektif dengan sistem pembangkit konvensional.
Donolo dkk., 2005
Penggunaan produk hasil gasifikasi biomassa sebagai umpan pada MCFC
Efisiensi yang diperoleh dengan mengombinasikan antara gasifikasi biomassa dengan MCFC adalah sekitar 36 – 40%, bergantung pada jenis biomassa yang digunakan. Dari proses gasifikasi biomassa, dihasilkan energi panas dalam jumlah besar yaitu 20% dari total input HHV pada 870oC. Gas sintesis yang dihasilkan mengandung 10% tar dari total HHV sehingga memerlukan proses lebih lanjut untuk menghilangkan kandungan tar. Pembentukan secara endoterm mengonversi energi panas menjadi energi kimia dan meningkatkan kandungan H2 dan CO untuk fuel cell. Sekitar 6% biomassa HHV dapat dikonversi menjadi energi listrik. Bagas merupakan jenis biomassa yang tidak cocok digunakan karena menghasilkan efisiensi energi listrik yang rendah, efisiensi energi panas rendah dan kandungan bahan bakar dalam gas sintesis juga rendah akibat kesulitan dalam proses gasifikasi bagas tersebut. Penelitian mengatakan bahwa pemanfaatan biomassa dapat diterapkan pada negara berkembang.
Morita dkk., 2004
Penggunaan gas hasil gasifikasi biomassa sebagai umpan pada MCFC
Operasi MCFC pada tekanan diatas 8 atm tidak memiliki keuntungan dalam hal efisiensi karena deposisi karbon terjadi. Rentang tekanan operasi optimum pada MCFC adalah 1-5 atm. Unjuk kerja MCFC relatif rendah dibandingkan dengan unjuk kerja gas turbin, Konversi gas CH4
menjadi H2 dan CO sebelum masuk kedalam MCFC merupakan faktor yang menentukan performansi MCFC. Unit pembersihan gas pada temperatur lebih menguntungkan untuk mencegah terjadinya deposisi karbon pada MCFC dan meningkatkan efisiensi MCFC. Temperatur gas keluaran dari unit gasifier yang diinginkan adalah sedekat mungkin dengan temperatur MCFC.
B1.1314.K.0326
BAB III
RENCANA PENELITIAN
3.1. Metodologi
Secara garis besar, penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu:
1. Tinjauan pustaka
2. Penentuan variasi penelitian
3. Persiapan alat dan bahan
4. Pembuatan anoda
5. Karakterisasi fisik dan kimia anoda
6. Pembuatan laporan
Diagram alir pelaksanaan metodologi penelitian yang akan dilakukan disajikan pada
Gambar 3.1.
B1.1314.K.0327
Gambar 3.1. Diagram alir metodologi penelitian.
3.2. Percobaan
3.2.1. Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah:
1. Serbuk campuran logam Ni dan logam Cr
Anoda yang digunakan dalam penelitian dibuat dengan menggunakan campuran logam
Ni dan Cr dengan perbandingan 90% Ni dan 10% Cr dengan ukuran 3-5 mikron.
2. Binder
Binder digunakan untuk memperkuat ikatan antar campuran logam Ni dan Cr. Binder
yang digunakan dalam penelitian adalah polyvinyl alcohol (PVA).
3. Anoda MCFC standar
Untuk menguji hasil karakteristik anoda yang dibuat dalam penelitian, digunakan anoda
MCFC standar sebagai acuan atau pembanding hasil pengujian. Anoda MCFC standar
diperoleh dari Institusi Riset Ilmu Pengetahuan Korea.
4. Aqua dm
Aqua dm digunakan sebagai aditif untuk mengaktifkan binder PVA yang berguna untuk
mengikat logam – logam yang terdapat dalam sampel anoda.
Material Safety Data Sheet (MSDS) bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian
dapat dilihat pada Lampiran A.
3.2.2. Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:
B1.1314.K.0328
1. Cetakan dry casting
Cetakan dry casting yang digunakan merupakan silinder berbahan dasar logam yang
berlubang pada bagian tengahnya. Desain cetakan dry casting dapat dilihat pada
Gambar 3.2. dan 3.3.
Gambar 3.2. Alat dry casting: 1. alat penekan (a. tampak atas, b. tampak depan, dan c, tampak bawah), 2. tempat bahan (a. tampak atas dan b. tampak depan), 3. alas (a. tampak atas, b. tampak depan, dan c, tampak bawah).
B1.1314.K.0329
Gambar 3.3. Wadah penampung anoda.
2. Ball mill
Ball mill merupakan alat penghalus yang biasa digunakan untuk menghaluskan suatu
material menjadi bentuk bubuk (powder). Dalam percobaan, ball mill digunakan untuk
membuat ukuran serbuk campuran logam (alloy) yang digunakan untuk anoda dengan
binder menjadi homogen dan tercampur secara merata. Prinsip kerja dari ball mill
disajikan dalam Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Prinsip kerja ball mill. (Sumber: http://www.ilpi.com/inorganic/glassware /ballmill.html)
Ball mill yang digunakan dalam percobaan terbuat dari silinder plastik tertutup pada
kedua ujungnya dengan diameter 10 cm dan panjang 20 cm. Di dalam ball mill terdapat
bola pejal yang terbuat dari baja atau keramik. Ball mill bekerja dengan silinder luar
yang berputar dan menyebabkan bola-bola didalam silinder dan material didalamnya
B1.1314.K.0330
ikut bergerak dan terjadi kontak satu sama lain. Akibat perbedaan ukuran dan kekuatan
yang berbeda relatif besar antara bola pejal dan serbuk logam serta binder, maka bola
pejal dengan kekuatan dan ukuran lebih besar akan menghancurkan serbuk logam dan
binder yang terdapat didalamnya. Rotasi silinder mengakibatkan terjadinya
pencampuran antara serbuk logam dan binder didalam silinder.
3. Oven
Oven digunakan untuk menghilangkan kadar air dalam campuran logam dan binder
yang telah diproses menggunakan ball mill. Saat campuran dipanaskan dalam oven,
maka air yang memiliki titik didih lebih rendah akan lebih dulu menguap dibandingkan
padatan campuran antara logam dengan binder. Oven yang digunakan dapat dilihat pada
Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Oven. (Sumber: http://www.edonilab.com/2012/04/memmert-oven-type- unb-dan-une.html)
4. Furnace
Furnace dalam penelitian digunakan untuk memanaskan logam campuran yang
digunakan untuk membuat anoda supaya terjadi sintering. Sintering bertujuan untuk
membentuk ikatan antar partikel logam campuran agar memiliki kekuatan mekanik.
Furnace yang digunakan memiliki temperatur maksimum 900oC. Selama proses
pemanasan berlangsung, gas nitrogen (N2) dialirkan secara kontinyu untuk menghindari
proses oksidasi logam campuran.
B1.1314.K.0331
Gambar 3.6. Furnace. (Sumber: http//ecx.images-amazon.com/images/I/61hLBaJ1K 7L._SL1500_.jpg)
5. Alat Scanning Electron Microscopy (SEM)
6. Alat X-Ray Diffraction
7. Ohm meter
Hazard and Operability (HAZOP) alat percobaan dapat dilihat pada Lampiran B.
3.2.3. Prosedur
1. Pembuatan Anoda
Pembuatan anoda MCFC dilakukan dengan menggunakan metode dry casting.
Pertama-tama alat dan bahan untuk pembuatan anoda disiapkan kemudian bahan dasar
untuk pembuatan anoda yang berupa serbuk logam nikel-krom dan binder dicampur
pada komposisi tertentu sesuai dengan porositas dan kekuatan mekanik yang ingin
dicapai. Setelah itu, serbuk nikel-krom dimasukkan dalam ball mill dan digerus hingga
homogen selama satu jam. Anoda yang dihasilkan pada tahap ini diharapkan memiliki
porositas sebesar 60% dengan galat ±5%. Hasil pengadukan dikeringkan dalam oven
selama 24 jam pada suhu 120oC. Campuran serbuk yang sudah dikeringkan, ditatar pada
cetakan dry casting kemudian ditekan pada tekanan 60 kN/m2. Hasil cetakan yang telah
ditekan dipanaskan untuk sintering pada suhu 650oC hingga 900oC dan tekanan
atmosfer. Gas nitrogen dialirkan pada furnace secara kontinyu untuk mencegah
B1.1314.K.0332
terjadinya oksidasi.
2. Karakterisasi Fisik Anoda
Hasil anoda yang telah dibuat dan berukuran diameter 3 cm dan tebal 0.7 mm diuji
karakteristiknya sehingga dapat dikatakan layak sebagai anoda MCFC baik secara fisik
maupun kimia. Karakterisasi fisik yang digunakan adalah metode SEM, XRD dan
ASTM C373-88 untuk menguji porositas, struktur kristal, serta pengujian kekuatan fisik
beban tarik. Pengujian dilakukan pada anoda yang diperoleh dari hasil penelitian
maupun anoda standar sebagai acuan, kemudian hasil pengujian keduanya
dibandingkan. Apabila secara fisik anoda yang diperoleh dari hasil penelitian sama atau
mirip dengan karakteristik anoda standa, maka anoda hasil penelitian diuji lebih lanjut
secara elektrokimia.
3. Karakterisasi Elektrokimia
Pengujian elektrokimia anoda dilakukan dengan mengukur hambatan internal yang
dihasilkan oleh anoda yang difabrikasi tersebut. Pengukuran hambatan internal
dilakukan menggunakan ohm meter. Ohm meter dihubungkan ke anoda tersebut
kemudian hasil yang terbaca pada ohm meter merupakan hambatan internal anoda.
Langkah-langkah percobaan dapat dilihat pada Lampiran C sedangkan prosedur
keselamatan kerja dapat dilihat pada Lampiran A dan C.
3.2.4. Variasi
Variabel – variabel yang akan divariasikan dalam penelitian ini adalah rasio massa
logam campuran terhadap binder dan temperatur sintering. Tabel 3.1.
merepresentasikan variasi dari variabel yang akan dilakukan pada penelitian ini.
B1.1314.K.0333
Tabel 3.1. Variasi penelitian.
3.3.
Interpretasi Data
Metode analisis data yang digunakan adalah analisis karakter fisik dan kimia serta sifat
mekanik anoda. Karakterisasi dilakukan dengan SEM (Scanner Electron Microscopy),
ASTM C373-88, XRD (X-Ray Diffraction), dan EIS (Electrochemical impedance
Spectroscopy).
3.3.1. Analisis Karakteristik Fisik Anoda dengan SEM (Scanning Electron
Microscopy)
SEM digunakan untuk mengamati struktur mikro dari anoda yang dibuat. Dengan
menggunakan SEM dapat diketahui pororsitas dan dioptimasi. Hasil porositas yang
diperoleh kemudian dibandingkan dengan porositas hasil perhitungan.
Perhitungan porositas menggunakan metode ASTM C373-88 dengan air sebagai basis.
Perhitungan dilakukan berdasarkan penentuan berbagai satuan massa terhadap setiap
anoda yang dihasilkan. Pemilihan anoda yang baik didasarkan atas nilai porositas anoda
komersial standar yang digunakan sebagai acuan.
Gambar 3.7. merupakan contoh anoda MCFC Ni-10%wt Cr yang diproses sintering
dengan perlakuan berbeda.
B1.1314.K.03
Rasio massa logam campuran terhadap massa binder 1:1, 2:1, 4:1, 8:1
Temperatur sintering (oC) 650, 700, 800, 900
34
Gambar 3.7. Anoda MCFC Ni-10%wt Cr a) setelah oksidasi sebagian; b) setelah oksidasi-reduksi sebagian. (Dokyol dkk., 2003)
3.3.2. Analisis Karakteristik Fisik Anoda dengan XRD (X-Ray Diffraction)
Analisis struktur kristal anoda hasil penelitian dilakukan untuk melihat apakah struktur
kristal yang dihasilkan serupa dengan anoda komersial standar yang digunakan sebagai
acuan. Apabila terdapat kemiripan pada struktur kristal anoda hasil penelitian dan anoda
komersial standar, maka anoda hasil penelitian dapat dikatakan layak.
3.3.3. Analisis Karakteristik Kimia Anoda
Analisis karakteristik kimia anoda dilakukan dengan mengukur hambatan internal
anoda. Hambatan internal anoda diukur dengan menggunakan ohm meter. Tujuan
dilakukannya pengukuran hambatan internal anoda adalah mengetahui seberapa besar
hambatan yang diberikan oleh anoda untuk dapat menghantarkan listrik. Hambatan
internal yang baik akan bernilai kecil yang artinya anoda tersebut dapat digunakan
untuk menghantarkan listrik dan sebaliknya. Hambatan internal anoda yang dihasilkan
kemudian dibandingkan nilainya dengan anoda umum MCFC dan anoda konvensional
yang diperoleh dari Korea.
3.3.4. Analisis Sifat Mekanik Anoda
Dalam pembutan anoda, hasil anoda yang diinginkan adalah anoda yang memiliki sifat
mekanik yang baik. Hal ini dilakukan dengan memanaskan bahan anoda dan binder
pada suhu sintering tertentu. Hasil yang diperoleh kemudian dipotong dengan diameter
3 cm dan diharapkan memiliki porositas 60%.
B1.1314.K.0335
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Tahap Awal Pembuatan Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
B1.1314.K.0336
Anoda MCFC terdiri dari campuran logam nikel (Ni) dan kromium (Cr) dengan
perbandingan massa 9:1. Agar logam – logam tersebut dapat bercampur, maka
digunakan binder berupa polyvinylalcohol (PVA) sesuai dengan variasi percobaan.
Logam – logam dan binder dicampur dengan menggunakan ball mill selama 8 jam
dengan kecepatan putar 100 rpm yang bertujuan untuk membuat campuran homogen.
Setelah itu, campuran tersebut ditekan dengan menggunakan hydraullic pressing
machine dengan tekanan 60 kPa. Proses penekanan tersebut bertujuan untuk
membentuk anoda dalam bentuk piringan berdiameter 5 cm dengan tebal 2.5 mm.
PVA merupakan binder yang dapat mengikat logam – logam nikel dan kromium dalam
campuran agar terbentuk anoda yang berupa piringan agar dapat diproses lebih lanjut
yaitu proses sintering. Namun, PVA dapat aktif sebagai binder apabila PVA
berinteraksi dengan air dalam jumlah tertentu. Dalam percobaan terdapat variasi PVA
dalam campuran logam nikel – kromium sehingga jumlah air yang dibutuhkan untuk
setiap variasi tidak sama.
4.1.1. Pengaruh Penambahan Air dalam Campuran Logam – Binder
Jumlah air yang ditambahkan ke dalam campuran logam – binder memiliki peranan
penting karena dapat mempengaruhi struktur anoda setelah melalui tahap pressing.
Apabila jumlah air yang ditambahkan ke dalam campuran terlalu sedikit, maka
campuran tidak akan menyatu secara sempurna setelah proses pressing berlangsung
sehingga menyebabkan anoda tidak dapat diproses lebih lanjut yaitu proses sintering.
Namun, apabila air yang ditambahkan terlalu banyak, maka campuran tersebut akan
menyatu namun air akan terkonsentrasi pada satu bagian sehingga menyebabkan bentuk
piringan anoda tidak sempurna atau menyerupai mangkok. Bentuk piringan anoda yang
tidak sempurna dihindari karena akan berpengaruh pada saat anoda akan dipasangkan
dengan katoda MCFC pada fuel cell. Anoda akan diletakkan secara bertumpuk dengan
katoda dan matriks, apabila bentuk piringan anoda tidak sempurna, maka anoda akan
hancur. Gambar 4.1 menunjukkan perbandingan struktur permukaan anoda dengan
penambahan jumlah air yang berbeda sehingga menghasilkan struktur permukaan anoda
B1.1314.K.0337
yang tidak diinginkan sedangkan Gambar 4.2 menunjukkan struktur anoda dengan
penambahan jumlah air optimum sehingga diperoleh struktur anoda yang diinginkan.
Untuk memperoleh jumlah optimum air yang harus dibutuhkan setiap variasi campuran
logam – binder, dilakukan percobaan secara iteratif terhadap campuran.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 4.1. Struktur anoda 1:1 dengan penambahan air (a) < 8 tetes tampak atas; (b)
< 8 tetes tampak samping; (c) >8 tetes tampak atas; (d) >8 tetes tampak
samping.
B1.1314.K.03
5 cm
5 cm
5 cm
2.5 mm
2.5 mm
2.5 mm
38
(a) (b)
Gambar 4.2. Struktur anoda 1:1 dengan penambahan air optimum 8 tetes (a) tampak
atas; (b) tampak samping.
Hasil percobaan yang telah dilakukan untuk mengetahui jumlah optimum penambahan
air ke dalam campuran logam – binder untuk mendapatkan struktur piringan anoda yang
sempurna direpresentasikan dalam Tabel 4.1.
Tabel 4.1. Komposisi air yang harus ditambahkan pada sampel anoda.
Rasio logam : binder Massa logam – binder (gr) Jumlah air (ml)
1:1 5 0.40 (8 tetes)
2:1 6 0.30 (6 tetes)
4:1 7 0.35 (7 tetes)
8:1 8 0.40 (8 tetes)
Berdasarkan data pada Tabel 4.1, dapat dilihat bahwa jumlah air yang perlu
ditambahkan membentuk tren yang tidak beraturan. Padahal, seharusnya semakin
banyak PVA maka air yang dibutuhkan semakin banyak untuk mengaktifkan PVA
tersebut sebagai binder. Hubungan PVA dengan air akan mempengaruhi viskositas
larutan PVA tersebut dimana semakin tinggi konsentrasi larutan maka viskositas akan
semakin tinggi (Tao, 2003). Oleh karena itu, diperlukan penambahan jumlah air yang
sesuai sehingga larutan PVA tidak terkonsentrasi di dalam sampel tersebut. Untuk
sampel dengan jumlah PVA yang sedikit, meskipun PVA sudah tidak terkonsentrasi
dalam sampel, namun apabila sebatas melihat pada interaksi antara PVA dengan air,
maka sampel anoda masih belum dapat mempertahankan bentuknya meskipun telah
ditekan dengan tekanan yang sudah sesuai. Hal tersebut diakibatkan oleh kurangnya
kandungan PVA dalam sampel sehingga PVA yang aktif sebagai binder tidak dapat
mengikat logam – logam yang terkandung secara menyeluruh. Oleh karena itu,
penambahan air diperlukan untuk membuat slurry pada logam – logam yang tidak
terikat oleh binder PVA sampai menjadi slurry yang homogen (Palilla, 1986) sehingga
dapat ditekan dan dapat mempertahankan bentuknya sebagai pellet anoda.
B1.1314.K.0339
Dari Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan massa pada setiap variasi
campuran logam – binder untuk memperoleh anoda dengan diameter 5 cm dan tebal 2.5
mm. Hal tersebut dikarenakan setiap campuran memiliki perbedaan massa jenis.
Semakin tinggi massa jenis, maka untuk mencapai volume yang sama dibutuhkan massa
yang lebih besar sesuai dengan persamaan (4.1).
ρ=mV
((4.1))
Keterangan: ρ = massa jenis (gr/cm3)
m = massa (gr)
V = volume (cm3)
Tabel 4.2 menunjukkan massa jenis tiap komponen dalam campuran.
Tabel 4.2. Massa jenis komponen.
Komponen Massa Jenis (gr/cm3)
Nikel 8.908
Kromium 7.15
PVA 1.19
Massa jenis nikel dan kromium lebih tinggi dibandingkan dengan PVA, maka untuk
memperoleh ketebalan yang seragam, campuran dengan kandungan logam yang lebih
besar akan membutuhkan massa yang lebih besar pula.
4.1.2. Pengaruh Jumlah PVA terhadap Struktur Permukaan Anoda
Jumlah PVA mempengaruhi struktur permukaan anoda setelah melalui proses pressing.
Hal tersebut karena PVA berfungsi sebagai pengikat logam – logam yang terdapat
dalam campuran. Semakin banyak PVA dalam campuran maka logam – logam akan
semakin terikat dan sebaliknya. Hal tersebut dapat dibuktikan secara kualitatif dari
struktur permukaan anoda pada berbagai variasi perbandingan logam – binder.
B1.1314.K.0340
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 4.3. Struktur permukaan anoda dengan rasio logam:binder (a) 1:1 ; (b) 2:1 ;
(c) 4:1 ; (d) 8:1.
Dari Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa struktur permukaan paling mendekati sempurna
adalah anoda dengan rasio logam:binder 1:1. Semakin sedikit kandungan PVA dalam
anoda, secara kualitatif dapat dilihat bahwa struktur permukaan anoda semakin tidak
stabil atau rentan hancur dan tidak dapat menerima tekanan dari luar. Tekanan
maksimum yang dapat ditahan pada anoda tersebut terdapat pada anoda 1:1 yang setara
dengan rata – rata kekuatan genggaman tangan laki – laki dengan usia 20 sampai
dengan 29 yaitu 47 kg/cm2 dengan standar deviasi 9.7 (Gill, dkk., 2014). Namun
struktur permukaan anoda belum tentu mempengaruhi kinerja dari anoda MCFC
tersebut karena anoda tersebut masih diproses melalui tahap sintering yang diharapkan
setelah proses sintering berlangsung, struktur permukaan anoda dapat menjadi lebih
baik.
B1.1314.K.03
5 cm5 cm
5 cm5 cm
41
Berdasarkan Gambar 4.3, hal lain yang dapat diamati adalah perbedaan warna yang
terdapat pada masing – masing anoda. Terlihat bahwa semakin sedikit kandungan PVA
dalam sampel anoda maka sampel tersebut akan berwarna semakin gelap (kehitaman)
sebaliknya semakin banyak kandungan PVA dalam sampel maka sampel akan berwarna
lebih terang (keabuan). Hal tersebut menandakan semakin gelap sampel anoda maka
kandungan logam di dalamnya semakin banyak karena warna dasar logam Ni dan Cr
yang berwarna gelap sedangkan PVA berwarna putih.
4.1.3. Proses Sintering Anoda
Anoda hasil pressing akan dilanjutkan ke proses sintering. Proses sintering dilakukan
untuk menyatukan butir – butir logam Ni dan Cr yang terkandung dalam campuran
dengan membentuk necking antar butir logam tersebut. Binder yang terkandung dalam
campuran tersebut akan menguap akibat temperatur furnace yang beroperasi di atas
temperatur pirolisis PVA. Gambar 4.4 menunjukkan penurunan massa PVA seiring
dengan kenaikan temperatur yang diperoleh melalui Thermal Gravimetric Analysis
(TGA). Berdasarkan Gambar 4.4, dapat dilihat bahwa PVA terdekomposisi sempurna
secara termal pada temperatur 600oC sehingga proses sintering anoda dilakukan diatas
temperatur 600oC. Binder tersebut akan membuat pori – pori pada anoda yang di-
sintering sehingga diharapkan anoda hasil sintering memiliki porositas yang sesuai
dengan literatur yaitu 55 – 70% (Zhang dkk., 2012).
B1.1314.K.0342
Gambar 4.4. Variasi penurunan % massa PVA pada percobaan TGA dengan laju
pemanasan 10oC/menit (Moldoveanu, 2005).
Proses sintering anoda dilakukan dengan laju pemanasan 4oC/menit. Laju pemanasan
ditetapkan untuk mencegah kerusakan sampel anoda. Laju pemanasan yang terlalu besar
akan mengakibatkan pemuaian pada serbuk logam Ni dan Cr atau binder yang tidak
homogen pada anoda selama proses sintering. Persebaran serbuk logam dan binder
yang tidak merata juga dapat mengakibatkan kerusakan sampel anoda selama proses
sintering. Proses sintering juga dilakukan dengan mengalirkan nitrogen ke dalam
furnace untuk membuat suasana inert di dalam furnace dan mencegah terbentuknya
oksida logam – logam tersebut seperti NiO dan Cr2O3. Sampel anoda yang terdiri dari
sebagian besar Nikel akan rentan teroksidasi karena Nikel akan mulai teroksidasi
dengan udara pada temperatur 300oC (Ferguson dkk., 2007). Laju nitrogen yang terlalu
kecil akan mengakibatkan sampel anoda teroksidasi dan berwarna hijau yang
mengindikasikan adanya kandungan NiO pada sampel tersebut. Gambar 4.5 dan 4.6
menunjukkan perbandingan antara anoda yang teroksidasi selama proses sintering dan
anoda yang tidak teroksidasi selama proses sintering.
B1.1314.K.0343
(a) (b)
Gambar 4.5. Anoda hasil sintering pada temperatur 700oC (a) sebelum sintering;
(b) setelah sintering.
(a) (b)
Gambar 4.6. Anoda hasil sintering pada 700oC (a) sebelum sintering ; (b) setelah
sintering.
Berdasarkan Gambar 4.5 (b) dan 4.6 (b) terlihat bahwa laju alir nitrogen memegang
peranan penting dalam proses sintering anoda. Gambar 4.5 merupakan anoda yang di
sintering dengan menggunakan laju alir nitrogen sebesar 50 ccm sedangkan Gambar 4.6
merupakan anoda yang di sintering menggunakan laju alir nitrogen sebesar 400 ccm.
Pada Gambar 4.5 (b) dan 4.6 (b) menunjukkan adanya perbedaan pada struktur
permukaan anoda setelah di sintering dimana pada Gambar 4.5 (b) struktur permukaan
B1.1314.K.03
5 cm
5 cm 5 cm
5 cm
44
anoda terlihat rapuh dan berwarna kehijauan yang menunjukkan adanya oksida pada
sampel anoda tersebut sedangkan pada Gambar 4.6 (b) struktur permukaan anoda
terlihat berwarna keabuan yang menunjukkan proses sintering telah terjadi tanpa diikuti
adanya proses oksidasi pada logam tersebut. Laju nitrogen yang lebih besar akan lebih
mampu untuk mengisi ruang furnace tersebut dan oksigen yang semula masih tertinggal
dalam furnace dapat terbawa keluar bersamaan dengan gas nitrogen yang dialiri. Laju
nitrogen yang semakin besar akan mengakibatkan penurunan konsentrasi oksigen dalam
furnace. Perhitungan konsentrasi oksigen dalam furnace dilakukan dengan asumsi
komposisi gas nitrogen 99.995% dan kandungan oksigen di udara 21% sedangkan
sisanya nitrogen. Volume furnace 33 x 28 x 18 cm. Dengan menggunakan komposisi
tersebut, diperoleh konsentrasi oksigen pada laju alir 50 ccm 17.79% sedangkan pada
laju alir 400 ccm 8.6%. Untuk memastikan bahwa sistem di dalam furnace tersebut inert
maka ruang anoda dalam furnace tersebut diperkecil dengan membangun ruang dari
susunan kiln furnace yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7. Ruang anoda dalam furnace yang telah diperkecil.
Anoda yang setelah mengalami proses sintering masih dapat mempertahankan bentuk
lempengnya adalah anoda dengan perbandingan logam : binder 1:1 dan 2:1. Hal
tersebut dikarenakan anoda dengan perbandingan logam : binder 4:1 dan 8:1 tidak
memiliki mechanical strength yang cukup besar sehingga sangat rapuh setelah melalui
B1.1314.K.0345
proses penekanan pada 60 – 70 kN. Namun, untuk anoda dengan perbandingan logam :
binder 2:1 setelah didiamkan beberapa hari juga menjadi sangat rapuh. Hal tersebut
dapat disebabkan oleh kandungan PVA yang relatif terlalu sedikit untuk mengikat
serbuk – serbuk nikel dan krom dalam campuran.
4.1.4. Uji Porositas
Sampel anoda setelah di sintering akan diuji porositasnya untuk mengetahui apakah
memenuhi syarat anoda MCFC atau tidak. Porositas diuji dengan mengikuti prosedur
ASTM C373-88. Terdapat 14 sampel yang diuji porositasnya dan hasil pengujian
porositas ditunjukkan pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3. Hasil uji porositas sampel anoda.
Temperatur (oC) Logam:binder Porositas (%)
6501:1 66.412:1 64.04
700
1:1 65.122:1 64.194:1 63.528:1 62.78
800
1:1 57.122:1 56.904:1 55.408:1 53.51
900
1:1 50.642:1 46.444:1 43.598:1 42.72
Berdasarkan Tabel 4.3, semakin tinggi komposisi binder maka porositas akan semakin
tinggi. Hal tersebut dikarenakan PVA yang terkandung dalam campuran akan teruapkan
secara keseluruhan dan rongga yang semula mengandung PVA akan membentuk pori
pada anoda. Selain itu, semakin tinggi temperatur sintering maka porositas akan
semakin kecil, hal tersebut dikarenakan semakin banyaknya senyawa oksida yang akan
B1.1314.K.0346
terbentuk khususnya pada permukaan anoda sehingga dapat menutupi pori yang
terdapat pada permukaan anoda tersebut dan mengurangi persen porositas dari anoda
tersebut. Dari hasil uji porositas, terdapat 9 sampel yang porositasnya memenuhi kriteria
anoda konvensional yaitu:
- Sampel anoda yang di sintering pada 650oC dengan komposisi logam:binder 1:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 650oC dengan komposisi logam:binder 2:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 700oC dengan komposisi logam:binder 1:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 700oC dengan komposisi logam:binder 2:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 700oC dengan komposisi logam:binder 4:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 700oC dengan komposisi logam:binder 8:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 800oC dengan komposisi logam:binder 1:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 800oC dengan komposisi logam:binder 2:1
- Sampel anoda yang di sintering pada 800oC dengan komposisi logam:binder 4:1
Sampel yang kemudian akan dianalisis lebih lanjut adalah anoda dengan komposisi
logam:binder 1:1 pada 650oC, 700oC dan 900oC. Hal tersebut dikarenakan anoda dengan
komposisi logam:binder 2:1 tidak memiliki kekuatan mekanik yang cukup besar untuk
mempertahankan bentuknya setelah proses sintering selesai dilakukan. Pemilihan anoda
dengan komposisi logam:binder 1:1 yang di sintering pada suhu 900oC adalah anoda
tersebut memiliki struktur mekanik yang baik bila diamati secara kualitatif dan dapat
hasil analisis dapat digunakan sebagai pembanding apabila dilakukan proses sintering
pada suhu tinggi (>700oC).
4.2. Karakterisasi Fisik Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Setelah porositas anoda tersebut memenuhi syarat, terdapat beberapa uji untuk
memastikan apakah anoda tersebut layak untuk diaplikasikan ke fuel cell. Karakterisasi
fisik anoda MCFC dilakukan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan
XRD (X-Ray Diffraction).
B1.1314.K.0347
4.2.1. Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM)
Analisis SEM bertujuan untuk melihat struktur morfologi dari anoda yang dibuat.
Analisis dilakukan pada sampel anoda yang di sintering pada suhu 650oC, 700oC dan
900oC. Struktur morfologi tersebut kemudian akan dibandingkan dengan struktur
morfologi anoda standar. Perbesaran yang diamati yaitu 10000x. Gambar 4.8
menunjukkan hasil SEM pada anoda konvensional sedangkan Gambar 4.9 menunjukkan
hasil SEM pada anoda yang dibuat.
Gambar 4.8. Hasil analisis SEM pada anoda konvensional dengan perbesaran 10000x.
(Sempurna 2014)
(a)
B1.1314.K.0348
(b)
(c)
Gambar 4.9. Hasil analisis SEM anoda pada perbesaran 10000x dengan perbandingan
alloy:binder 1:1 pada temperatur (a) 650oC; (b) 700oC; (c) 900oC.
Berdasarkan Gambar 4.9, uji SEM menunjukkan terjadinya necking pada butir – butir
logam yang terkandung dalam sampel anoda yang artinya proses sintering berlangsung.
Secara teoritis, peristiwa necking akan meningkatan mechanical strength dari anoda
(Graham dkk., 1997) namun yang dijumpai pada percobaan justru sebaliknya. Hal
tersebut dikarenakan senyawa oksida yang terbentuk akan menurunkan mechanical
strength pada anoda dan semakin tinggi temperatur akan menyebabkan senyawa oksida
yang terbentuk semakin banyak apabila sistem tidak inert. Adanya peristiwa necking
pada sampel anoda menunjukkan kemiripan dengan anoda konvensional, namun
perbedaannya terdapat pada struktur morfologinya. Gambar 4.8 menunjukkan butir –
butir halus dengan sedikit butir kasar sedangkan pada Gambar 4.9 menunjukkan
B1.1314.K.0349
dominannya butir kasar pada sampel anoda. Hal tersebut menandakan bahwa
permukaan sampel anoda ditutupi oleh senyawa oksida yang terbentuk selama proses
sintering berlangsung. Butir halus tersebut menunjukkan logam sedangkan butir kasar
menunjukkan senyawa oksida. Hal tersebut dapat dibuktikkan pada Gambar 4.10 dan
Gambar 4.11 yang menunjukkan perbedaan struktur morfologi logam murni dengan
logam oksida yang dianalisis menggunakan SEM.
Gambar 4.10. Hasil analisis SEM serbuk nikel 99%
(Sumber: Systems Engineering Consultants Co., LTD., 2011)
Gambar 4.11. Hasil analisis SEM serbuk nikel oksida (Dongmok dkk., 2009)
Semakin tinggi temperatur sintering, maka berdasarkan analisis SEM pada Gambar 4.9,
semakin banyak oksida yang terbentuk. Hal ini dikarenakan jumlah oksigen pada 900oC
akan lebih tinggi dibandingkan dengan 650oC sesuai dengan persamaan gas ideal
dimana volume gas sebanding dengan temperatur. Semakin tinggi temperatur maka
volume gas akan semakin tinggi sehingga semakin banyak oksigen yang terkandung dan
B1.1314.K.0350
dapat menyebabkan reaksi oksidasi terjadi antara gas oksigen tersebut dan sampel
anoda.
Berdasarkan Gambar 4.9, dapat dilihat juga persebaran pori yang tidak merata pada
permukaan anoda dimana terdapat pori yang berukuran lebih besar dibandingkan pori
lainnya. Hal tersebut dapat dikarenakan PVA yang tersebar secara tidak merata ataupun
terdapat pori yang tertutup senyawa oksida yang terbentuk akibat terjadinya
overlapping dimana senyawa nikel sudah mulai teroksidasi menjadi senyawa nikel
oksida sedangkan kandungan PVA masih belum terdekomposisi. Overlapping tersebut
terjadi mulai dari temperatur 300oC, Gambar 4.12, dimana nikel mulai teroksidasi
sedangkan PVA baru terdekomposisi 45%. Pori – pori yang semakin kecil dapat dilihat
pada Gambar 4.9 (c) yaitu pada anoda yang disintering pada suhu 900oC karena
senyawa oksida yang semakin banyak terbentuk dan menutupi pori sampel anoda.
Gambar 4.12. Kurva termogravimetri serbuk nikel pada laju pemanasan 4oC/menit
dengan udara (Kang dkk., 2013).
4.2.2. Analisis X-Ray Diffraction (XRD)
XRD bertujuan untuk mengetahui senyawa apa saja yang terkandung dalam sampel.
Senyawa yang tidak diharapkan pada sampel anoda adalah senyawa oksida. Hasil XRD
dari sampel anoda kemudian dibandingkan dengan sampel anoda standar untuk
B1.1314.K.0351
membandingkan senyawa – senyawa yang terkandung. Gambar 4.13 menunjukkan hasil
XRD untuk anoda standar.
Gambar 4.13. Hasil XRD anoda standar. (Sempurna, 2014)
Berdasarkan Gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada anoda standar tidak mengandung
senyawa oksida sama sekali. Hasil XRD untuk sampel anoda yang telah di sintering
ditunjukkan pada Gambar 4.14.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
Inte
nsita
s
(a)
B1.1314.K.03
Intensitas (%)
NiO Ni Cr
52
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
Sudut (2θ)
Inte
nsita
s
(b)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
Sudut (2θ)
Inte
nsita
s
(c)
Gambar 4.14. Hasil XRD sampel anoda pada suhu sintering (a) 650oC; (b) 700oC;
(c) 900oC.
Senyawa Nikel akan muncul pada sudut difraksi 44.58o, 51.93o dan 76.43o (JCPDS, No.
01-1260) sedangkan Kromium akan muncul pada sudut difraksi 44.60o, 64.68o dan
82.35o (JCPDS, No. 01-1261). Berdasarkan Gambar 4.10, ternyata sampel anoda masih
B1.1314.K.03
NiO
NiO
Cr2O3
53
teroksidasi. Hal tersebut ditunjukkan dari puncak – puncak yang terbentuk pada hasil
analisa XRD. 3 puncak yang utama menunjukkan bukan senyawa Nikel maupun
Kromium melainkan senyawa Oksida yang dominan Nikel Oksida (NiO) maupun Krom
Oksida (Cr2O3) pada seluruh permukaan sampel. Adanya senyawa oksida tersebut pada
anoda akan mengakibatkan berkurangnya sisi aktif anoda dan berakibat pada tahanan
internal yang semakin besar karena senyawa oksida bersifat isolator. Oleh karena itu,
anoda tersebut masih belum memenuhi standar anoda konvensional yang bebas dari
senyawa oksida. Nikel oksida akan muncul pada sudut difraksi 37.20o, 43.20o, 62.87o,
75.20o, 79.38o (JCPDS, No. 04-0835) sedangkan kromium oksida (Cr2O3) muncul pada
sudut difraksi 24.48o, 36.18o, 33.58o, 41.46o, 50.20o, 54.83o, 63.42o, 65.08o (JCPDS, No.
38-1479).
Dari ketiga variasi sampel anoda tersebut dapat dilihat bahwa puncak yang
menunjukkan senyawa Nikel dan Krom lebih banyak muncul pada sampel anoda yang
di sintering pada suhu 650oC dengan perbandingan logam:binder 1:1 namun intensitas
nya tidak sebesar dibandingkan senyawa Nikel dan Krom murni sedangkan yang paling
sedikit pada suhu 900oC. Hal tersebut menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur
sintering maka senyawa oksida yang terbentuk akan semakin banyak karena temperatur
oksidasi senyawa nikel berada pada 300oC dan menyebabkan sampel anoda terpapar
pada temperatur diatas temperatur oksidasi nikel pada saat menuju 900oC lebih lama
dibandingkan 650oC dengan laju pemanasan dan holding time yang sama. Selain itu,
kromium mulai teroksidasi pada temperature 800oC (Lillerud dan Kofstaf, 1980)
sehingga pada temperatur lebih tinggi akan terbentuk senyawa kromium oksida (Cr2O3)
sehingga akan lebih banyak senyawa oksida yang menutupi permukaan sampel anoda
yang di-sintering pada temperatur 900oC.
4.3. Karakterisasi Elektrokimia Anoda Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Karakterisasi elektrokimia anoda molten carbonate fuel cell dilakukan dengan menguji
tahanan internal anoda tersebut pada temperatur ruang dan tekanan atmosferik. Tahanan
B1.1314.K.0354
internal diuji dengan menggunakan ohm meter. Tabel 4.4 menunjukkan hasil yang
diperoleh terhadap pengukuran tahanan internal pada sampel anoda.
Tabel 4.4. Hasil pengukuran hambatan internal menggunakan ohm meter.
Sampel Tahanan (ohm)
Anoda Standar 1.77 ± 0.057
Anoda 1:1 (650oC) 9.5 ± 3.4
Anoda 1:1 (700oC) 22.9 ± 2.5
Anoda 1:1 (900oC) Tidak terukur
Pengukuran hambatan dilakukan pada temperatur ruang karena tidak terdapat
perbedaaan yang signifikan terhadap hambatan anoda pada temperatur operasi (650oC).
Pada temperatur tinggi, konduktor seperti nikel (anoda) akan mengalami sedikit
peningkatan resistivitas karena saat terjadi peningkatan temperatur, ion yang terdapat di
dalam logam akan memperoleh energi dan mulai berosilasi. Osilasi ion ini akan
bertabrakan dengan elektron yang bergerak menghantarkan listrik sehingga
meningkatan hambatan pada logam (Laughlin dan Hono, 2014).
Hambatan internal pada anoda yang terukur tidak memberikan hasil yang homogen. Hal
tersebut dikarenakan distribusi senyawa oksida di permukaan anoda tidak merata
sehingga pada satu permukaan anoda, apabila hambatan diukur di tiga titik yang
berbeda maka akan memberikan nilai yang berbeda sesuai dengan komposisi senyawa
oksida yang ada pada area yang terukur tersebut. Adanya senyawa oksida membuat
tahanan yang diberikan oleh anoda semakin besar karena sifat senyawa oksida yang
merupakan insulator sehingga tidak dapat menghantar listrik dan memperbesar
hambatan pada anoda yang bersifat konduktor. Semakin tinggi temperatur, maka nilai
hambatan internal pada anoda akan semakin tinggi karena permukaan anoda yang
tertutupi oleh senyawa oksida akibat semakin banyaknya oksida yang terbentuk.
Senyawa oksida tersebut merupakan insulator yang menghambat hantaran listrik. Pada
anoda dengan komposisi logam:binder 1:1 yang disintering pada temperatur 900oC
tidak terukur hambatannya. Hambatan yang tidak terukur menandakan hambatan yang
terlalu besar sehingga melampaui kapasitas alat ohm meter yang digunakan (overload)
B1.1314.K.0355
dan terjadi akibat banyaknya senyawa oksida yang menutupi permukaan anoda tersebut.
Pada umumnya, anoda MCFC memiliki hambatan internal sebesar 0.3 ohm/cm2
(Williams dkk., 2010). Dibandingkan dengan anoda yang difabrikasi, nilai hambatan
internal anoda yang difabrikasi masih sangat jauh dari ideal. Perhitungan resistivity
dilakukan pada anoda yang difabrikasi pada 650oC dengan panjang anoda 5 cm dan luas
anoda 2.5 mm x 2.5 mm. Nilai resistivity berada pada rentang 7.2 x 10-4 hingga 1.6 x 10-
3 ohm.m sedangkan untuk campuran nikel krom secara umum memiliki resistivity 1.1 x
10-6 hingga 1.5 x 10-6 ohm.m (Faughn dan Serway, 2003). Resistivity adalah ukuran
yang digunakan untuk melihat seberapa kuat suatu material dapat menghantarkan arus
listrik. Semakin kecil resistivity maka suatu material akan semakin dapat
menghantarkan listrik. Berdasarkan nilai yang diperoleh, hasil resistivity anoda yang
difabrikasi menunjukkan nilai yang jauh lebih besar dibandingkan campuran nikel krom
secara umum. Oleh karena itu, sebelum anoda tersebut digunakan untuk menghantarkan
listrik, perlu diadakannya proses reduksi anoda oleh gas H2 yang bertujuan untuk
mereduksi senyawa oksida yang terdapat pada permukaan anoda sehingga dapat
mengurangi hambatan internal dan dapat digunakan untuk menghantarkan listrik.
Proses reduksi anoda akan mengurangi kandungan NiO yang terkandung di dalam
sampel anoda. Berdasarkan Osuwa dan Onyejiuwa (2013), semakin tipis lapisan NiO
maka konduktivitas elektrik akan semakin meningkat. Osuwa dan Onyejiuwa (2013)
juga menyatakan, pengurangan lapisan NiO sebesar 0.2 μm akan meningkatkan
konduktivitas elektrik sebanyak ±20%. Tabel 4.5 menunjukkan hasil percobaan yang
dilakukan oleh Osuwa dan Onyejiuwa (2013).
Tabel 4.5 Hubungan konduktivitas elektrik dengan tebal lapisan NiO (Osuwa dan
Onyejiuwa, 2013)
Tebal lapisan NiO (μm) Konduktivitas (10-4 S/m)1.40 6.51.20 7.90.80 13.00.75 18.0BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
B1.1314.K.0356
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, kesimpulan yang diperoleh yaitu rasio
optimum antara logam campuran Nikel dan Krom dengan binder adalah 1:1 sedangkan
temperatur sintering yang optimum untuk dapat menghasilkan anoda molten carbonate
fuel cell adalah 650oC dengan nilai porositas 66.41%, nilai hambatan internal 9.5 ±3.4
ohm dan nilai resistivitas berada dalam rentang 7.2 x 10-4 sampai dengan 1.6 x 10-3
ohm.m.
5.2. Saran
Berdasarkan hasil penelitian, saran yang dapat diberikan untuk penelitian selanjutnya
adalah:
1. Sebaiknya media yang digunakan untuk melakukan proses sintering di purge
terlebih dahulu pada waktu yang relatif lama dan sesuai dengan dimensi media
tersebut untuk memastikan tidak ada kandungan oksigen yang tertinggal sehingga
proses oksidasi pada logam dapat diminimalisir.
2. Diperlukan adanya uji pada rangkaian fuel cell untuk melihat apakah anoda yang
difabrikasi benar – benar dapat menghasilkan listrik atau tidak sehingga dapat
dilihat performansi dari anoda yang dibuat.
3. Diperlukan uji menggunakan gas sintesis dan dibandingkan efisiensinya apabila
menggunakan gas H2 dan CO2 murni sebagai bahan bakar pada fuel cell.
B1.1314.K.0357
DAFTAR PUSTAKA
B1.1314.K.0358
Aldous, J., “POSCO power installs fuel cell in Indonesia”. Fuel Cell Power, 2011.American Standard for Testing and Material (ASTM), www.astm.org (diakses pada
tanggal 23 Maret 2014, pk. 14.42 WIB)Birnbaum, U.; Haines, M.; Hake, J.Fr.; Linssen, J., “Reduction of greenhouse gas
emission through fuel cell combined heat and power application: 17 th world hydrogen energy conference”, Brisbane, Australia, 2008.
Beomjoo, K.; Dohyung, K.; Junghyun, L.; Seungwon, K.; dan Heechun, L., “The operation results of a 125 kW molten carbonate fuel cell system.” KEPCO Research Institute, Daejeon 305- 760, Republic of Korea. 2011.
Capart, R.; Fagbemi, L.; Gelus, M., “An experimental study of wood pyrolysis: a basis for predicting the gas product from the framatome process”, International Congress on Renewable Energy Sources (1986), Madrid-Spanyol.
Ciferno, J. P.; Marano, J. J., “Benchmarking biomass gasification technologies for fuels, chemicals and hydrogen production”, U.S. Department of Energy National Energy Technology Laboratory, 2002.
Crain, E.R., “Crain’s Petrophysical Handbook”, http://www.spec2000.net/09-xrd.htm (diakses pada tanggal 23 Maret 2014, pk. 10.38 WIB)
Chris, R.; Scott, S., “Introduction to Fuel Cell Technology”, Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, Notre Dame, 2003.
Dhanaraj, P.V.; Rajesh, N.P., “Studies on growth, crystal structure and characterization of novel organic nicotinium trifluoroacetate single crystals”, http://www.intechopen.com/books/ doi:10.5772/53795. (diakses pada tanggal 10 April 2014, pk. 15.06 WIB)
Dokyol, L.; Dohwon, J.; Insung, L.; Kyungrae, B.; Heechun, L., “Simplified cost effective sintering processes for creep resistance Ni-10wt.%Cr MCFC anodes”, METALS AND MATERIALS International, 9(6) (2003), 605-611.
Dongmok, L; Wooyeon, K.; Jeshin, P.; Wonbaek, K; Injin, S., “Mechanical properties and consolidation of a nanocrystalline Al2O3 – reinforced Ni compositefrom mechanically synthesized powders by rapid sintering”, Journal of Ceramic Processing Research 10(4) (2009), 529-533.
EG&G Technical Service, Inc, “Fuel cell handbook 7th edition”, U.S. Department of
Energy, West Virginia, 2004. ESDM, Migas. “Tiap hari, Indonesia rogoh US$ 100 juta untuk impor minyakdan
BBM” Kamis, 13 Februari 2014. http://www.migas.esdm.go.id/wap /?op= Berita&id=3520 (diakses pada 21 Februari 2014, pk. 08.23 WIB)
Faughn, J. S.; Serway, A. S., “College physics” Pacific Grove, CA: Thomson Learning Inc., 2003.
Feng, Y.; Si-yi, L.; Zhi-quan, H.; Bo, X.; Gong, C., “Hydrogen-rich gas production by steam gasification of char from biomass fast pyrolysis in a fixed-bed reactor: Influence of temperature and steamon hydrogen yield and syngas composition”, Bioresource Technology, 101 (2010), 5633-5637.
Ferguson, J.D.; Spencer, J.A.; Berube, G.M.; Jordan, J.D., “Particle atomic layer deposition”, Advanced Packaging – The International Magazine for Electronic Packaging Applications, January/February ed. 32-37, 2007.
Gill, T. K.; Massy-Westropp, N. M.; Taylor, A. W.; Bohannon, R. W.; Hill, C. L., “Hand grip strength: age and gender stratified normative data in a population-
B1.1314.K.0359
based study”, BMC Research Notes, doi: 10.1186/1756-0500-4-127, 2014. Graham, A. H.; Cimino, T. M.; Rawlings, A. J.; Rutz, H. G., “The effect of nickel
content, sintering temperature and density on the properties of a warm compacted 0.85 w/0 molybdenum prealloy”, International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials, Chicago-Amerika Serikat, 1997.
Higman C.; Burgt, M., “ Gasification”, 2nd edition, Elsevier Inc., United Kingdom, 2008.
Jingtao, M.; Ge B.; Xiuping, L.; Changseng, D., “Preparation and electrochemical performance of hydrogen electrode and electrolyte for SOFC by tape casting and lamination”, China: State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Institute of New and Nuclear Energy Technology, Tsinghua University, Beijing, 2010.
Kang, S, L.; Jo, G.; Lee, K., “Effect of passication on the sintering behavior of submicron nickel powder compacts for MLCC application”, Journal of Korean Powder Metallurgy Institute 20(6), 405-410, 2013.
Laughlin, D. E.; Hono, K., “Physical metallurgy”, 5th edition, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 2014.
Lillerud, K. P.; Kofstaf, P., “On high temperature oxidation of chromium”, Journal of Electrochem. Soc. 127(11) (1980), 2397 – 2410.
Mingoo, K.; Shinae, S.; Seongcheol, J.; Inhwan, O.; Jonghee, H.; Shungpil, Y.; Sunghyun, K.; Seonggeun, O., “Fabrication of electrolyte-impregnated cathode by dry casting method for molten carbonate fuel cells”, Korean Journal Chemical Engineering 29(7) (2012), 876-885
Muliawati, N., “Hidrogen sebagai Sel Bahan Bakar : Sumber Energi Masa Depan”, 2008.
Moldoveanu, S.C., “Analytical pyrolysis of synthetic organic polymers” vol. 25, Elsevier B.V., The Netherlands, 2005.
Nasution, R., “Karakterisasi elektrokimia berdasarkan spektroskopi impedansi melalui pendekatan equivalent circuit pada molten carbonate fuel cell (MCFC)”, Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, 2013.
Osuwa, J. C.; Onyejiuwa, G. I., “Structural and electrical properties of annealed nickel oxide (NiO) thin films prepared by chemical bath deposition”, Journal of Ovonic Research 9(1), 9-15, 2013.
Palilla, F. C., “Process for the preparation of homogenous metal oxide varistors”, US Patent 4575440 A, 1986.
Pusat Data dan Informasi Pertanian, Departemen Pertanian Republik Indonesia, http://deptan.go.id (diakses pada 22 Februari 2014, pk. 23.11 WIB)
Scribner Associates, “Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS): a powerful and cost-effective tool for fuel cell diagnostics”, North California, 2010.
Sempurna, F. I., “Pengaruh komposisi gas produk gasifikasi terhadap kinerja dan daya tahan molten carbonate fuel cell (MCFC)”. Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, 2014.
Suhada, H., “Fuel cell sebagai penghasil energi abad 21”, Jurnal Teknik Mesin 3(2) (2001) 92-100.
Tao, J., “Effect of molecular weight and solution concentration on electrospinning of PVA” Tesis Magister, Worcester Polytechnic Institute, 2003.
Yunsung, K.; Junheok, L.; Haisoo, C., “Creep Mechanism of Porous MCFC Ni Anodes
B1.1314.K.0360
Strengthened by Ni3Al”, American Institute of Chemical Engineers (AIChE) Journal 52 (2006), 359-365.
U.S. Department of Energy, “Fuel Cell Technologies Program”, www.eere.energy. gov/ hydrogenandfuelcells/tech_validation/, 2012. (diakses pada 20 Februari 2014, pk. 19.10 WIB)
U.S. Department of Energy, “How Fuel Cell Works?”, www.fueleconomy.gov/ feg/fcv_PEM, 2012. (diakses pada 20 Februari 2014, pk. 21.00 WIB)
Williams, M. C.; Krist, K.; Garland, N., “Fuel cell seminar 2009”, The Electrochemical Society, New Jersey, USA, 2010.
Zhang, J.; Liu, H.; Sun, X.; Zhang, L.; Liu, R., “Electrochemical technologies for energy storage and conversion”, Wiley-VCH Verlag & Co, KGaA, Weinheim, Germany, 2012.
B1.1314.K.0361
DAFTAR SIMBOL
B1.1314.K.0362
m : massa [kg]n : bilangan bulat 1,2,3,.... [-]W1 : massa kering [kg]W2 : massa spesimen di dalam air [kg]W3 : massa spesimen jenuh air [kg]V : tegangan [Volt]V : volume [m3]
Greek : panjang gelombang sinar X [m] : sudut difraksi [rad]ω : frekuensi sudut [rad/s]ρ : massa jenis [kg/m3]
B1.1314.K.0363
LAMPIRAN A
PROSEDUR OPERASI ALAT PERCOBAAN DAN MSDS
B1.1314.K.0364
Judul Penelitian Karakterisasi Elektrokimia untuk Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Berbasis Gas Sintesis Hasil Gasifikasi Biomassa
Nama Mahasiswa Ivan Rene SoejatmikoValerius Vandru Hartanto
NIM: 13011052 13011057
Dosen Pembimbing Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko
N
o
Baha
n
Sifat Bahan Tindakan Penanggulangan
1 Serbuk nikel (Ni)
Tidak mudah terbakar
Tidak mudah meledak
Tidak reaktif Tidak berbau
Berwujud serbuk (padat)
Bersifat racun, berbahaya terhirup, terkena mata, atau terkena kulit
Selalu pastikan sistem ventilasi memadai dan jangan sampai terihirup
Hindari kontak dengan kulit, mata, dan pakaian
Selalu cuci tangan setelah penanganan
Simpan bahan pada tempat yang sejuk, kering, sirkulasi udara baik, dan tertutup
2 Serbuk krom (Cr)
Titik leleh: 1900 oC Specific gravity:
7,14 Berwujud padatan
Kontak dengan kulit dan mata menyebabkan iritasi
Hindari kontak langsung dengan kulit
Letakan di tempat tertutup Hindari kontak dengan air
6 PVA Specific gravity: 1,19 – 1,31
Titik leleh: 200 oC Berwujud padatan
Stabil Tidak berasa Terbakar pada
temperatur tinggi
Hindari kontak langsung dengan kulit
Letakan di tempat tertutup Jangan sampai terhirup
7 O2 OksidatorKontak dengan bahan bakar dapat menimbulkan kebakaran
Tidak berbau Tidak berwarna Berwujud gas
Hindari kontak dengan sumber api, seperti api rokok, dll.
Letakkan di tempat dengan ventilasi cukup
Letakkan berjauhan dari hidrogen
Selalu pastikan tabung gas tertutup/tidak bocor.
Pastikan sambungan selang tidak bocor
8 H2 ReduktorMudah terbakarMudah meledak
Tidak berwarna Tidak berbau Specific
gravity: 0,0696
Hindari kontak dengan sumber api, seperti api rokok, dll.
Letakkan di tempat dengan ventilasi cukup
Letakkan berjauhan dari oksigen
Selalu pastikan tabung gas tertutup/tidak bocor.
Pastikan sambungan selang tidak bocor
B1.1314.K.0365
Kecelakaan yang mungkin terjadi Penanggulangan
Kebocoran gas, baik hidrogen maupun O2
Segera tutup keran regulator tabung gas dan buka ventilasi udara sebesar-besarnya, jangan sampai ada sumber api di sekitarnya
Ledakan akibat kontak antara H2 dan O2
Padamkan api bila memungkinkan, tutup jendela laboratorium, matikan listrik, segera evakuasi diri dari laboratorium
Tabung gas jatuh menimpa anggota tubuh
Angkat tabung gas dan kembalikan ke posisi semula, lakukan pertolongan pertama, apabila diperlukan segera memeriksakan diri ke rumah sakit
Iritasi mata Buka mata dan alirkan air secara kontinu selama minimal 15 menit, bawa ke rumah sakit terdekat. Penolong harus mendapatkan pemeriksaan medis
Iritasi kulit Aliri dengan air secara kontinu selama minimal 15 menit, tanggalkan pakaian yang ikut terkontaminasi, bawa ke rumah sakit terdekat, penolong harus mendapatkan pemeriksaan medis
Hubungan pendek pada alat Cabut sumber listrik dengan menggunakan sarung tangan kain kering, apabila sumber listrik terbakar gunakan tabung pemadam kebakaran yang tersedia di laboratorium
Perlengkapan keselamatan kerja
Sarung tangan Jaslab Masker Goggle
B1.1314.K.0366
Prosedur Keselamatan Kerja
Bandung, 24 Juni 2015
B1.1314.K.03
Pasca Percobaan Dinginkan oven dan furnace secara
bertahap Tutup valve tabung gas Putuskan sambungan listrik pada semua
peralatan yang menggunakan listrik
Run berjalan Hindari komponen oven/ furnace
yang panas Hindari tekanan tabung gas terlalu
tinggi Hindari menyentuh bahan yang
panas secara langsung Hindari kebocoran gas N2
Persiapan Peralatan Lakukan pemanasan oven dan
furnace dengan hati-hati serta pastikan sambungan listrik tersambung sempurna
Lakukan pemasangan dan pengecekan ulang pada sambungan selang gas Nitrogen
Persiapan Bahan Penyiapan bahan berupa serbuk
menggunakan alat pelindung diri yang lengkap karena bahan serbuk dapat mengenai kulit, mata, dan mata.
Hati-hati saat menggerus bahan dengan ball mill karena ball mill cukup berat dan dapat terlepas dari tangan
67
Ketua Satuan Tugas Keselamatan Kerja,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing I,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing II,
Dr. Dwiwahju Sasongko
LAMPIRAN B
HAZARD AND OPERABILITY (HAZOP) ALAT
PERCOBAAN
Judul Penelitian Karakterisasi Elektrokimia untuk Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Berbasis Gas Sintesis Hasil Gasifikasi Biomassa
Nama Mahasiswa Ivan Rene SoejatmikoValerius Vandru Hartanto
NIM : 13011052 13011057
Dosen Pembimbing Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko
No. Guide Word+Parameter
Penyebab Konsekuensi Safeguard Tindakan yang dibutuhkan
1 No H2 Flow Ada kebocoran pada sambungan gas atau penyumbatan di dalam pipa atau selongsong tubular
Potensi kebakaran apabila ada pemicu api dan kontak dengan oksigen
Akumulasi tekanan di dalam pipa yang menyebabkan
Regulator, flowmeter atau rotameter
Peletakan tabung hidrogen di dekat jendela dan jauh dari tabung oksigen
Memasang pressure indicator
B1.1314.K.0368
furnace over pressure
2 More furnace temperature
Temperatur yang terbaca pada peralatan terlalu tinggi
Kerusakan pada peralatan akibat temperatur yang terlalu tinggi
Temperatur indicator
Pengecekan temperatur berkala secara konvensional
3 Occupationalsafety
Gas beracun Bekerja pada
tekanan tinggi
Keracunan Menyebabkan luka
bakar
Penggunaan alatpelindung diri
Pastikan alat pelindung diri digunakan dengan baik saat operasi
4 Operational safety
Bekerja dengan tidak rapi dan hati-hati
Terpeleset, tertimpa tabung gas
Penggunaan alat-alat yang kokoh
Menjaga kebersihan dan peletakan peralatan dan bahan dengan rapi
Bandung, 24 Juni 2015
B1.1314.K.0369
B1.1314.K.03
Ketua Satuan Tugas Keselamatan Kerja,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing I,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing II,
Dr. Dwiwahju Sasongko
70
LAMPIRAN C
INSTRUKSI KERJA
Judul Penelitian Karakterisasi Elektrokimia untuk Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Berbasis Gas Sintesis Hasil Gasifikasi Biomassa
Nama Mahasiswa Ivan Rene SoejatmikoValerius Vandru Hartanto
NIM : 13011052 13011057
Dosen Pembimbing Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko
1. Siapkan peralatan berupa ball mill dan wadah cetakan dry casting2. Sambungkan oven ke sumber tegangan 220 V dan set temperatur
oven3. Timbang serbuk nikel dan krom sesuai dengan rasio yang
ditentukan4. Campur serbuk nikel dan serbuk krom dalam ball mill kemudian
lakukan penggerusan 5. Ambil keseluruhan serbuk dari ball mill lalu letakan di wadah
cetakan keramik dan ratakan dengan menekan dengan tekanan 60 kN/m2
6. Ambil cetakan dari dalam oven dan diletakan pada furnace7. Sambungkan furnace ke sumber listrik dan set temperatur dengan
variasi tertentu lalu alirkan gas nitrogen8. Turunkan temperatur furnace secara perlahan hingga mencapai
temperatur ruang9. Ambil sampel anoda dari furnace10. Setiap potongan diambil citranya dengan SEM11. Setiap potongan dihitung porositasnya dengan metoda ASTM
C373 88 dimulai dengan menimbang berat anoda dan catat sebagai W1
12. Ikat anoda dengan benang dengan hati-hati namun kuat lalu celupkan ke dalam air, diamkan dalam air hingga tidak ada udara keluar
13. Timbang wadah air dengan anoda di dasar wadah tersebut, catat berat tertera sebagai p1
14. Pada saat wadah air di atas timbangan, angkat anoda dengan menarik tali, catat berat tertera saat anoda tepat akan keluar sebagai p2
15. Keluarkan anoda dan biarkan air menetes secukupnya lalu catat berat wadah air tanpa anoda yang tertera sebagai p3
16. Timbang anoda basah dan catat sebagai p417. Keringkan kembali anoda di dalam oven selama 24 jam 18. Persiapkan peralatan uji hambatan internal19. Anoda yang sudah kering dan didinginkan di pasang ke ohm
meter dan dilakukan pengukuran hambatan internal
B1.1314.K.0371
Cara pengoperasian furnace:1. Sambungkan kabel furnace ke sumber listrik2. Nyalakan furnace3. Tekan tombol MD selama 3 detik4. Tekan tombol “up” dan pindahkan hingga rapU yang menandakan
laju kenaikan suhu dari suhu awal ke suhu yang di set dengan mengatur waktu.
5. Tekan tombol MD selama 3 detik6. Tekan tombol OUT7. Atur suhu yang diinginkan dengan menekan tombol “up” atau “down” .8. Apabila suhu furnace ingin diturunkan, tekan tombol SVD selama 3
detik dan tekan tombol “up” hingga rapD yang menandakan laju penurunan suhu dari suhu yang di set ke suhu yang diinginkan.
9. Tunggu hingga furnace mencapai suhu dibawah 200oC10. Matikan furnace11. Lepaskan kabel furnace dari sambungan listrik
CATATAN KESELAMATAN 1. Selalu pastikan bahwa meja dan daerah di sekitar Anda sudah
bersih dan kering sebelum meninggalkan ruangan laboratorium. 2. Selalu pastikan penggunaan Alat Pelindung Diri (APD) berupa jas
lab, sarung tangan, goggle, dan masker. 3. Selalu pastikan bahwa sambungan listrik dan gas O2 yang
berhubungan dengan alat telah terlepas semua jika tidak digunakan.
B1.1314.K.0372
LAMPIRAN D
JOB SAFETY ANALYSIS
Judul Penelitian Karakterisasi Elektrokimia untuk Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Berbasis Gas Sintesis Hasil Gasifikasi Biomassa
Nama Mahasiswa Ivan Rene SoejatmikoValerius Vandru Hartanto
NIM : 13011052 13011057
Dosen Pembimbing Dr. Hary Devianto dan Dr. Dwiwahju Sasongko
Identifikasi Bahaya Mitigasi ResikoSambungan selang gas oksigen/hidrogen yang terlepas
Naikkan tekanan aliran secara perlahan dan bertahap
Furnace yang panasGunakan sepatu tertutup dan sarung tangan
Adanya debu saat bekerja dengan serbuk-serbuk bahan mentah katoda
Gunakan masker selama percobaan
Paparan panas dari oven atau furnance
Gunakan sarung tangan dan jaga jarak dengan alat yang sedang beroperasi
Paparan ke tekanan tinggiJangan berdiri terlalu dekat dengan selang bertekanan
Keteraturan alatPastikan alat-alat berada pada tempatnya sebelum memulai kegiatan
B1.1314.K.0373
Bandung, 19 Mei 2014
B1.1314.K.03
Ketua Satuan Tugas Keselamatan Kerja,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing I,
Dr. Hary Devianto
Dosen Pembimbing II,
Dr. Dwiwahju Sasongko
74