[modul 5]ginanjar syahfia_10213051

MODUL 5

ENERGI ALTERNATIF : FUEL CELL Ginanjar Syahfia, Ghiyaats Muhammad, Glayn Rivans S, M. Iqbal Ibrahim, Raka Firman B

102123051, 10213021, 10213041, 10213014, 10213039

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

Email : [email protected]

Asisten : Chandra Widyananda W / 10212076

Tanggal Praktikum : (2-11-2015)

Abstrak Tujuan dari praktikum ini adalah untuk menentukan jumlah gas yang terbentuk dan efisiensi dari fuel

cell. . Fuel cell merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi

listrik searah. Jenis fuel cell yang digunakan pada percobaan adalah fuel cell jenis PEM (Proton Exchange

Membrane / Polymer Electrolyte Membrane). Hasil dari praktikum kali ini berupa data energi pada proses

charging dan discharging, energi, pada proses elektrolisis, energi pada reaksi fuel cell, jumlah gas yang

dihasilkan, serta efisiensi. Nilai dari masing – masing energi dapat dilihat pada tabel 1, 2, 5, dan 6. Jumlah

mol yang dihasilkan dapat dilihat pada tabel 5 dan 6. Nilai dari efisiensi dapat dilihat pada tabel 7. Adapun

nilai tegangan dan arus pada percobaan charging dan discharging dapat dilihat pada lampiran.

Kata Kunci : Efisiensi, Elektrolisis, Energi Disosiasi, Jumlah Mol, PEM

I. Pendahuluan

Terdapat dua tujuan dari praktikum

kali ini. Pertama, menentukan jumlah gas

yang terbentuk saat proses elektrolisis

pada fuel cell. Kedua, menentukan

efisiensi kerja dari fuel cell.

Fuel cell merupakan suatu alat yang

dapat mengubah energi kimia dari bahan

bakar menjadi energi listrik searah. Jenis

fuel cell yang digunakan pada percobaan

adalah fuel cell jenis PEM (Proton

Exchange Membrane / Polymer

Electrolyte Membrane). Fuel cell jenis

PEM terdiri atas dua elektroda, membran

khusus (tidak bisa dilalui air, tetapi bisa

dilalui proton), dan bahan katalis (terbuat

dari Platina).

Untuk mendapatkan gas hidrogen dan

oksigen, dilakukan proses elektrolisis air.

Gas hidrogen yang dihasilkan dialirkan

menuju anoda, sedangkan gas oksigen

dialirkan menuju katoda. Pada anoda, gas

hidrogen akan dipecah menjadi proton dan

elektron. Proton akan dialirkan melalui

membran menuju katoda. Elektron akan

dialirkan melalui sumber tegangan menuju

katoda. Pada katoda, gas oksigen akan

bereaksi dengan proton dan elektron dari

anoda. Reaksi tersebut menghasilkan uap

air dan energi listrik. [1]

Gambar 1. Skema reaksi pada fuel cell

jenis PEM.[1]

II. Metode Percobaan

Terdapat dua hipotesis yang

digunakan pada praktikum kali ini.

Pertama, gas yang dihasilkan berada pada

keadaan RTP (Room Temperature and

Pressure), yaitu kondisi ruang dengan

temperatur 25O C dan tekanan 1 atm.

Kedua, Gas yang dihasilkan pada proses

elektrolisis akan memenuhi hubungan

perbandingan mol yang yang sesuai

dengan reaksi total.

Berikut merupakan langkah

penyusunan kit percobaan fuel cell. Isi

kedua silinder yang tersedia dengan

aquadest sehingga ketinggian aquadest

tepat pada skala yang disepakati (pada

percobaan, skala yang disepakati adalah

10 mL). Setelah kedua silinder terisi

dengan aquadest, masukkan kerucut ke

dalam silinder. Pastikan agar tidak ada

udara yang terkurung dalam silinder.

Pastikan juga lubang kecil pada kerucut

tidak tertutup oleh bagian dasar silinder.

Setelah silinder terpasang, atur ketinggian

aquadest pada silinder sehingga mencapai

skala 10 mL. Letakkan kedua silinder dan

fuel cell pada dudukan yang tersedia.

Pasang selang pendek pada bagian bawah

fuel cell. Buka selang pendek, kemudian

suntikkan aquadest pada selang pendek

bagian oksigen hingga setengah bagian

fuel cell. Tutup kembali selang pendek.

Pasangkan selang ppanjang pada ujung

kerucut dan bagian lain pada fuel cell.

Berikut merupakan langkah

percobaan pada praktikum fuel cell.

Sediakan sumber tegangan DC.

Hubungkan jack yang tersedia ke fuel cell,

dalan keadaan sumber tegangan yang

belum diaktifkan. Pasang dua multimeter

pada fuel cell. Multimeter pertama diatur

agar menampilkan nilai tegangan yang

dihasilkan fuel cell, sedangkan multimeter

kedua diatur agar menampilkan nilai arus

pada fuel cell. Siapkan stopwatch, atur

pada skala 0 detik. Catat volume awal air

pada masing – masing silinder. Aktifkan

sumber tegangan DC dan mulai

perhitungan waktu pada stopwatch. Catat

tegangan dan arus yang terukur setiap 5

detik selama 60 detik. Matikan baterai

setelah 60 detik berakhir. Ukur dan catat

perubahan volume air pada masing –

masing silinder. Lepas jack sumber

tegangan dari fuel cell. Hubungkan fuel

cell dengan motor pada kit fuel cell. Catat

tegangan dan arus yang terukur setiap 3

detik sampai motor berhenti bergerak.

Ukur dan catat kembali volume air yang

terukur pada masing – masing silinder.

Ulangi percobaan untuk waktu pengisian

daya fuel cell yang berbeda, yaitu 90

detik, 120 detik, 150 detik, dan 180 detik.

III. Data dan Pengolahan Data

Berikut merupakan kurva daya

terhadap waktu untuk proses charging

pada fuel cell, dengan selang waktu 60

detik, 90 detik, 120 detik, 150 detik, dan

180 detik. Data yang digunakan terdapat

pada lampiran, yaitu tabel 8 – 12.

Gambar 2. Grafik daya fuel cell terhadap

waktu, untuk proses charging selama 60 detik.


waktu, untuk proses charging selama 90 detik.


waktu, untuk proses charging selama 120

detik.



detik.



detik.

Berikut merupakan kurva daya

terhadap waktu untuk proses discharging

pada fuel cell, dengan selang waktu 60

detik, 90 detik, 120 detik, 150 detik, dan

180 detik. Data yang digunakan terdapat

pada lampiran, yaitu tabel 13 – 17.


waktu, untuk proses discharging selama 60

detik.



detik.



detik.



detik.



detik.

Untuk mendapatkan besar daya pada

proses charging dan discarging dari fuel

cell, digunakan persamaan

( )

Variabel V dan I berturut – turut

menyatakan tegangan dan kuat arus yang

terukur.

Untuk menentukan energi dari proses

charging dan discharging, digunakan

persamaan regresi linear dari data. Setelah

itu, persamaan regresi diintegralkan

terhadap waktu. Persamaan regresi

berbentuk

( )

Variabel y mewakili daya, sedangkan

variabel x mewakili waktu.

Energi yang dihasilkan pada proses

charging dan discharging ditentukan oleh

persamaan

∫ ∫ ( )

Berikut merupakan tabel yang memuat

koefisien pada persamaan regresi dan

energi fuel cell.

Tabel 1. Tabel koefisien persamaan regresi

dan energi pada percobaan charging pada

fuel cell.

t

(detik) a b

E1

(Joule)

60 -0.001182 0.1589 9.3217

90 -

0.00044512 0.1719 12.8143

120 -0.0003257 0.17 17.2090

150 -0.0002113 0.1599 20.8110

180 -0.00018 0.1589 24.8938

Tabel 2. Koefisien persamaan regresi dan

energi pada percobaan discharging pada fuel

cell.

t (detik) a b E4 (Joule)

60 -0.00648 0.1379 1.0479

90 -0.008223 0.138 0.7679

120 -0.007296 0.1437 0.9364

150 -0.005069 0.1282 1.246

180 -0.002515 0.1066 1.7578

Berikut merupakan data volume gas yang

terbentuk pada proses charging dan

discharging pada fuel cell.

Tabel 3. Data volume yang terukur pada

percobaan charging fuel cell.

t

(deti

k)

Vi

O2

(m

L)

Vi

H2

(m

L)

Vf

O2

(m

L)

Vf

H2

(m

L)

ΔV

O2

(m

L)

ΔV

H2

(m

L)

60 10 10 10.

4

10.

2 0.4 0.2

90 10 10 10.

2

10.

1 0.2 0.1

120 10 10 10.

6

11.

6 0.6 1.6

150 10.

6

10.

5

11.

2

11.

3 0.6 0.8

180 11 10.

8

11.

6 11 0.6 0.2

Tabel 4. Data volume yang terukur pada

percobaan discharging fuel cell.

t

(deti

k)

Vi

O2

(m

L)

Vi

H2

(m

L)

Vf

O2

(m

L)

Vf

H2

(m

L)

ΔV

O2

(m

L)

ΔV

H2

(m

L)

60 10.

4

10.

2 10 10 0.4 0.2

90 10.

2

10.

1 10 10 0.2 0.1

120 10.

6

11.

6

10.

6

10.

5 0 1.1

150 11.

2

11.

3 11

10.

88 0.2 0.5

180 11.

6 11

10.

8 10 0.8 1

Berikut merupakan grafik jumlah gas yang

terbentuk pada waktu tertentu.

Grafik 12. Grafik jumlah gas yang terbentuk

pada percobaan fuel cell.

Jumlah mol gas n dapat dotentukan

melalui persamaan

( )

Faktor 22.4 muncul sebagai akibat dari

keadaan RTP (Room Tempeature and

Pressure).

Efisiensi dari reaksi elektrolisis air dapat

dituliskan melalui persamaan

* ( )+ * ( ) ( )+ ( )

Efisiensi dari reaksi fuel cell dapat

ditentukan melalui persamaan

* ( ) ( )+ * ( )+ ( )

Pada persamaan (5) dan (6), berlaku

beberapa keterangan, yaitu:

n = jumlah mol zat

E(O-H) = energi disosiasi O-H = 428

kJ/mol

E(O=O) = energi disosiasi O=O = 498

kJ/mol

E(H-H) = energi disosiasi H-H = 436

kJ/mol[2]

Berikut merupakan data dari jumlah mol

gas yang terbentuk pada masing – masing

elektroda, serta energi potensial reaksinya.

Tabel 5. Data jumlah mol dari gas yang

terbentuk pada percobaan charging fuel cell.

n O2

(mol)

n H2

(mol)

n H2O

(mol)

E2

(KJ)

1.64E-05 8.18E-06 8.18E-06 -

0.0013

8.18E-06 4.09E-06 4.09E-06 -

0.0006

2.45E-05 6.54E-05 1.23E-05 -

0.0483

2.45E-05 3.27E-05 1.23E-05 -

0.0197

2.45E-05 8.18E-06 8.18E-06 -

0.0053

Tabel 6. Data jumlah mol dari gas yang

terbentuk pada percobaan discharging fuel

cell.

n O2

(mol)

n H2

(mol)

n H2O

(mol) E3 (KJ)

1.64E-05 8.18E-06 8.18E-06 0.00128

8.18E-06 4.09E-06 4.09E-06 0.00064

0 4.5E-05 0 0.03923

8.18E-06 2.04E-05 4.09E-06 0.0149

3.27E-05 4.09E-05 1.64E-05 0.02395

Efisiensi fuel cell dapat ditentukan melalui

persamaan

( )

( )

( )

( )

Berikut merupakan data efisiensi dari setia

proses pada percobaan fuel cell.

Tabel 7. Nilai efisiensi pada percobaan fuel cell.

t (s) Ƞ1 Ƞ2 Ƞ3 Ƞ4

60 -0.137 -1 1.218 0.112

90 -0.050 -1 0.831 0.06

120 -2.805 -0.813 41.89 0.054

150 -0.949 -0.755 13.25 0.054

180 -0.215 -4.477 13.63 0.071

IV. Pembahasan

Jumlah mol dari gas yang terbentuk

dapat dilihat pada tabel 5. Sedangkan

jumlah mol yang tersisa dapat dilihat pada

tabel 6.

Nilai dari efisiensi pembentukan gas

gas hidrogen dan oksigen terdapat pada

tabel 7, melalui parameter E1. Begitu pula

dengan nilai dari efisiensi konversi gas

menjadi listrik, melalui parameter E3.

Sebelum memulai percobaan, bagian

membran pada fuel cell harus dibuat

lembab. Pemberian kelembaban pada fuel

cell bertujuan untuk menjaga

konduktifitas fuel cell. Kurangnya

kelembaban pada fuel cell akan

mengurangi konduktifitas dari fuel cell.

Hal ini akan mengakibatkan sebagian

energi listrik diubah menjadi panas.

Kondisi fuel cell yang terlalu kering akan

mengakibatkan proton dari anoda tidak

akan bisa dilewatkan menuju katoda. [3]

Ketika motor penggerak dinyalakan,

terdapat sisa gas pada salah satu kerucut.

Hal ini disebabkan reaksi pembentukan air

yang tidak memenuhi perbandingan mol

2:1 antara gas hidrogen dan gas oksigen.

Perubahan air menjadi gas hidrogen

dan gas oksigen pada proses elektrolisis

terjadi bagian anoda dan katoda[4]

. Pada

anoda, air mengalami proses oksidasi,

memenuhi reaksi

Sedangkan pada bagian katoda, air

mengalami reduksi, sehingga mengalami

reaksi

Untuk mendapatkan gas hidrogen dan

oksigen, dilakukan proses elektrolisis air.

Gas hidrogen yang dihasilkan dialirkan

menuju anoda, sedangkan gas oksigen

dialirkan menuju katoda. Pada anoda, gas

hidrogen akan dipecah menjadi proton dan

elektron. Proton akan dialirkan melalui

membran menuju katoda. Elektron akan

dialirkan melalui sumber tegangan menuju

katoda. Pada katoda, gas oksigen akan

bereaksi dengan proton dan elektron dari

anoda. Reaksi tersebut menghasilkan uap

air dan energi listrik. [1]

Laju pembentukan gas pada masing –

masing elektroda dipengaruhi oleh

beberapa faktor. Pertama, besar tegangan

yang diberikan pada elektroda. Kedua,

temperatur air yang digunakan pada fuel

cell. Ketiga, jenis katalis yang digunakan

pada fuel cell.

Berikut beberapa asumsi yang

digunakan pada percobaan. Pertama, air

yang digunakan tidak mengandung

senyawa pengotor. Kedua, jumlah gas

yang terbentuk akan mengikuti

perbandingan mol pada reaksi total

hidrolisis air. Ketiga, kondisi tekanan dan

temperatur pada percobaan mengikuti

kondisi RTP.

V. Simpulan

Jumlah gas yang dihasilkan

pada percobaan dapat dilihat

pada tabel .

Nilai efisiensi dari percobaan

terdapat pada tabel .

Perbandingan jumlah mol

dari gas yang dihasilkan tidak

mengikuti perbandingan

jumlah mol pada reaksi total.

VI. Referensi

[1] Barbir, F. 2005. "PEM Fuel Cells,

Theory and Practice", Elsevier

Inc.

[2] “Bond Dissociation Energies”.

Properties of Atoms,

Radicals, and Bonds.

https://labs.chem.ucsb.edu/zakaria

n/armen/11---

bonddissociationenergy.pdf

(diakses pada 4 November 2015)

[3] “Why is Humidity / Moisture

Control Important in a Fuel Cell

?”. Fuel Cells Etc,

http://fuelcellsetc.com/2012/07/w

hy-is-humidity-moisture-control-

important-in-a-fuel-cell/ (diakses

pada 6 November 2015)

[4] “Electrolysis of Water Using an

Electrical Circuit”. The

Departement of Chemistry at the

University of Illinois.

http://www.chem.uiuc.edu/clcweb

site/elec.html (diakses pada 6

November 2015)

VII. Lampiran

Berikut merupakan data untuk kurva

daya terhadap waktu untuk proses

charging pada fuel cell, dengan selang

waktu 60 detik, 90 detik, 120 detik, 150

detik, dan 180 detik.

Tabel 8. Data tegangan, kuat arus, dan daya pada

percobaan charging fuel cell, dengan durasi 60

detik.

t (s) V (Volt) I (A) P (Watt)

5 1.4879 0.1605 0.23880795

10 1.512 0.1345 0.203364

15 1.6189 0.1081 0.17500309

20 1.6198 0.1033 0.16732534

25 1.6216 0.1011 0.16394376

https://labs.chem.ucsb.edu/zakarian/armen/11---bonddissociationenergy.pdf



http://fuelcellsetc.com/2012/07/why-is-humidity-moisture-control-important-in-a-fuel-cell/



http://www.chem.uiuc.edu/clcwebsite/elec.html

http://www.chem.uiuc.edu/clcwebsite/elec.html

30 1.6246 0.0998 0.16213508

35 1.6276 0.0974 0.15852824

40 1.6299 0.0958 0.15614442

45 1.6313 0.0946 0.15432098

50 1.6325 0.0934 0.1524755

55 1.6334 0.0928 0.15157952

60 1.6344 0.0919 0.15020136

Tabel 9. Data tegangan, kuat arus, dan daya pada

percobaan charging fuel cell, dengan durasi 90

detik.


5 1.5863 0.1234 0.195749

10 1.6184 0.1062 0.171874

15 1.6227 0.1003 0.162757

20 1.6256 0.0971 0.157846

25 1.6268 0.0948 0.154221

30 1.6278 0.0931 0.151548

35 1.6286 0.0915 0.149017

40 1.6293 0.0908 0.14794

45 1.6298 0.0899 0.146519

50 1.6305 0.0892 0.145441

55 1.6309 0.0887 0.144661

60 1.6315 0.088 0.143572

65 1.6319 0.0876 0.142954

70 1.6312 0.0862 0.140609

75 1.6316 0.086 0.140318

80 1.632 0.0858 0.140026

85 1.6325 0.0855 0.139579

90 1.6328 0.0852 0.139115

Tabel 10. Data tegangan, kuat arus, dan daya

pada percobaan charging fuel cell, dengan durasi

120 detik.


5 1.6411 0.1204 0.197588

10 1.6315 0.108 0.176202

15 1.6309 0.1022 0.166678

20 1.6313 0.0987 0.161009

25 1.6318 0.096 0.156653

30 1.6325 0.0941 0.153618

35 1.6331 0.0932 0.152205

40 1.6337 0.0919 0.150137

45 1.6339 0.0908 0.148358

50 1.6342 0.0901 0.147241

55 1.6344 0.0895 0.146279

60 1.6349 0.0884 0.144525

65 1.6346 0.0879 0.143681

70 1.6351 0.0876 0.143235

75 1.6355 0.0872 0.142616

80 1.6358 0.0869 0.142151

85 1.6361 0.0867 0.14185

90 1.6364 0.0865 0.141549

95 1.6368 0.0863 0.141256

100 1.6369 0.086 0.140773

105 1.6371 0.0858 0.140463

110 1.6362 0.0849 0.138913

115 1.6368 0.0847 0.138637

120 1.6368 0.0832 0.136182



150 detik.


5 1.5732 0.1278 0.2010549

10 1.645 0.099 0.1628550

15 1.651 0.0951 0.1570101

20 1.6509 0.0926 0.1528733

25 1.65 0.091 0.1501500

30 1.649 0.0899 0.1482451

35 1.6484 0.0889 0.1465427

40 1.648 0.0881 0.1451888

45 1.6476 0.0875 0.1441650

50 1.6472 0.0869 0.1431416

55 1.6469 0.0864 0.1422921

60 1.6466 0.086 0.1416076

65 1.6464 0.0856 0.1409318

70 1.6461 0.0852 0.1402477

75 1.6459 0.0848 0.1395723

80 1.6457 0.0846 0.1392262

85 1.6455 0.0843 0.1387156

90 1.6455 0.084 0.1382220

95 1.6453 0.0837 0.1377116

100 1.6452 0.0835 0.1373742

105 1.645 0.0834 0.1371930

110 1.6449 0.0831 0.1366911

115 1.6448 0.0829 0.1363539

120 1.6447 0.0828 0.1361811

125 1.6447 0.0826 0.1358522

130 1.6446 0.0824 0.1355150

135 1.6445 0.0823 0.1353423

140 1.6444 0.0821 0.1350052

145 1.6444 0.0819 0.1346763

150 1.6444 0.0818 0.1345119



180 detik.


5 1.5876 0.1311 0.208134

10 1.6551 0.0993 0.164351

15 1.6599 0.0946 0.157027

20 1.6593 0.0925 0.153485

25 1.6584 0.0911 0.15108

30 1.6573 0.0899 0.148991

35 1.6565 0.0889 0.147263

40 1.6557 0.0882 0.146033

45 1.655 0.0874 0.144647

50 1.6544 0.0868 0.143602

55 1.654 0.0863 0.14274

60 1.6535 0.0859 0.142036

65 1.6532 0.0854 0.141183

70 1.6528 0.085 0.140488

75 1.6524 0.0846 0.139793

80 1.6522 0.0844 0.139446

85 1.6519 0.0841 0.138925

90 1.6516 0.0838 0.138404

95 1.6513 0.0835 0.137884

100 1.6511 0.0832 0.137372

105 1.6509 0.083 0.137025

110 1.6507 0.0828 0.136678

115 1.6505 0.0826 0.136331

120 1.6503 0.0825 0.13615

125 1.65 0.0821 0.135465

130 1.6499 0.0819 0.135127

135 1.6497 0.0817 0.13478

140 1.6498 0.0816 0.134624

145 1.6497 0.0816 0.134616

150 1.6496 0.0815 0.134442

155 1.6495 0.0814 0.134269

160 1.6492 0.0812 0.133915

165 1.6492 0.081 0.133585

170 1.6492 0.0809 0.13342

175 1.6492 0.0809 0.13342

180 1.6492 0.0807 0.13309

Berikut merupakan data untuk kurva

daya terhadap waktu untuk proses

discharging pada fuel cell, dengan selang

waktu 60 detik, 90 detik, 120 detik, 150

detik, dan 180 detik.



60 detik.

t (s) V

(Volt) I (A) P (Watt)

3 0.7441 0.1832 0.13631912

6 0.5044 0.1672 0.08433568

9 0.4195 0.1556 0.0652742

12 0.3961 0.1547 0.06127667

15 0.3473 0.1452 0.05042796

18 0.1813 0.118 0.0213934



90 detik.

t

(s)

V


3 0.645 0.1865 0.1202925

6 0.4728 0.1631 0.07711368

9 0.3988 0.1572 0.06269136

12 0.3311 0.1481 0.04903591

15 0.0942 0.1166 0.01098372



120 detik.

t

(s)

V


3 0.7367 0.1896 0.139678

6 0.4974 0.1686 0.083862

9 0.4165 0.1598 0.066557

12 0.3756 0.1477 0.055476

15 0.371 0.1198 0.044446



150 detik.

t

(s)

V


3 0.7741 0.173 0.1339193

6 0.5537 0.1545 0.08554665

9 0.4278 0.1618 0.06921804

12 0.389 0.1427 0.0555103

15 0.3682 0.1567 0.05769694

18 0.367 0.1267 0.0464989



180 detik.

t

(s)

V


3 0.7033 0.1779 0.12511707

6 0.4787 0.1614 0.07726218

9 0.4207 0.1617 0.06802719

12 0.4127 0.1587 0.06549549

15 0.408 0.1577 0.0643416

18 0.3952 0.1562 0.06173024

21 0.3787 0.1507 0.05707009

24 0.3512 0.1521 0.05341752

27 0.3018 0.1449 0.04373082

30 0.1913 0.1259 0.02408467

[modul 5]ginanjar syahfia_10213051

Documents