MODUL 7

ENERGI ALTERNATIF FUEL CELL DAN SEL SURYA Muhammad Reza Mutaqin, Ahmad Yasin, Ahmad Kasmanto, Gian Angga Ginanjar, Endah.

10211055, 10211025, 10211037, 10211097,10211014

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

E-mail: reza.mutaqin@yahoo.com

Asisten: Zamzam Multazam/10210012

Tanggal Praktikum: 28-11-2013

Abstrak

Fuel cell adalah alat konversi energi elektrokimia. Prinsip kerjanya dengan mengubah hidrogen dan

oksigen menjadi air. Untuk memperoleh gas hidrogen sebagai bahan bakar fuell cell, dilakukan

proses elektrolisis. Pada proses tersebut dihasilkan energi listrik dan panas. Praktikum pada kali ini

bertujuan untuk menentukan jumlah gas yang terbentuk sebagai fungsi waktu dan menentukan

efisiensi dari fuel cell. Metode percobaan yang digunakan adalah pengambilan data tegangan dan

arus pada rentang waktu tertentu dan mengukur waktu pergerakan motor dari mulai dihidupkan

hingga berhenti. Kemudian mengukur volume gas yang terbentuk. Dari percobaan dapat dilihat gas

hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar dari fuel cell dan memiliki efisiensi yang cukup

tinggi serta tidak menghasilkan emisi berbahaya untuk makhluk hidup.

Kata Kunci: Efisiensi, Fuell Cell, Hidrogen, Oksigen, PEM, Sel Surya

I. Pendahuluan

Tujuan praktikum ini ialah

menentukan jumlah gas yang terbentuk

sebagai fungsi dari waktu serta

menentukan efisiensi dari fuel cell.

Fuel cell adalah suatu alat untuk

menghasilkan energi listrik, air dan panas,

dengan cara mengoksidasi bahan bakar

secara elekrokimia.[1] Fuel cell

mempunyai komponen-komponen yang

sama dengan baterai, yaitu terdiri dari dua

elektroda dan dipisahkan oleh elektrolit.

Berbeda dengan baterai, fuel cell bukanlah

alat untuk menyimpan energi, tetapi

alat untuk menghasilkan energi listrik

melalui reaksi elektrokimia. Fuel cell

memiliki elektroda positif dan negatif atau

disebut juga katoda dan anoda.

Reaksi kimia yang menghasilkan listrik

terjadi pada elektroda. Selain elektroda,

satu unit fuel cell terdapat elektrolit yang

akan membawa muatan-muatan listrik dari

satu elektroda ke elektroda lain, serta

katalis yang akan mempercepat reaksi di

elektroda.

Pada umumnya yang membedakan

jenis-jenis fuel cell adalah material

elektrolit yang digunakan. Arus listrik

serta panas yang dihasilkan setiap jenis

fuel cell merupakan produk samping reaksi

kimia yang terjadi di katoda dan anoda.

Energi yang diproduksi fuel cell

merupakan reaksi kimia dari pembentukan

air, alat konversi energi elektrokimia ini

tidak akan menghasilkan efek samping

yang berbahaya bagi lingkungan.

Salah satu jenis fuel cell adalah PEMFC

(proton exchange membrane fuel cell).

Jenis fuel cell tersebut menggunakan

reaksi kimia yang sederhana. PEMFC

memiliki empat elemen dasar seperti

kebanyakan jenis fuel cell.

Gambar 1. Skema PEM Fuel Cell[2]

Anoda merupakan elektroda yang akan

mengalirkan elektron yang lepas dari molekul

hidrogen sehingga elektron tersebut dapat

digunakan di luar sirkuit. Katoda berupa kutub

elektroda positif fuel cell yang juga memiliki

saluran yang akan menyebarkan oksigen ke

seluruh permukaan katalis. Katoda juga

berperan dalam mengalirkan elektron dari luar

sirkuit ke dalam sirkuit sehingga elektron-

elektron tersebut dapat bergabung dengan ion

hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.

Sel surya modern berlandaskan pada

teknologi semikonduktor. Sel surya ini

merupakan P-N Junction Photodiodes dengan

permukaan yang sensitif terhadap cahaya.

Gambar 2. Skema Sel Surya[3]

Prinsip kerja sel surya adalah pertama tama

cahaya datang dengan panjang gelombang dan

frekuensi tertentu dan menumbuk bahan

semikonduktor dan menimbulkan pair

generation. Kemudian elektron yang

sebelumnya berada pada pita valensi akan

tereksitasi menuju pita konduksi sehingga

timbul aliran listrik. Bagian yang ditinggalkan

elektron disebut hole. Kedua jenis muatan ini

tidak dapat secara langsung berkombinasi

karena terdapat bandgap energi diantara pita

konduksi dan valensi.[4]

II. Metode Percobaan

Kita menggunakan kit mobil dengan

fuel cell, baterai, aquades dan sel surya.

Pada kit mobil terdapat fuel cell jenis

PEMFC yang merupakan sumber energi

untuk menggerakan motor dinamo.

Langkah pertama, kita susun kit, fuel

cell, aquades, dan silinder. Kemudian kita

basahi fuel cell dengan aquades dan

letakan selang penghubung gas oksigen

dan hidrogen pada fuel cell. Catat volume

gas yang dihasilkan selama proses

elektrolisis dan gunakan gas tersebut untuk

mengaktifkan fuel cell. Catat juga

tegangan dan arus yang dihasilkan. Ulangi

dengan langkah yang sama untuk

percobaan dengan mengganti baterai

dengan sel surya.

III. Hipotesis

Terjadi ionisasi gas hidrogen dan

pada katoda terjadi ionisasi gas oksigen

sehingga hasil reaksi tersebut berupa air

dan dari reaksi tersebut dapat dihasilkan

medan listrik.

Apabila sel surya disinari oleh cahaya

baik cahaya matahari maupun cahaya

ruangan akan terjadi beda potensial

diantara kutub-kutub sel surya.

IV. Data dan Pengolahan

1. Percobaan dengan menggunakan

baterai sebagai tegangan

masukannya.

Energi input pada baterai dapat

dirumuskan oleh persamaan berikut

ini:

E = V I t (1)

Keterangan

E = Energi input baterai

V = Tegangan yang dihasilkan baterai

I = Arus yang dihasilkan baterai

t = Selang waktu tiap 10 detik

Tabel 1. Data energi input dengan sumber

tegangan baterai

No Waktu (s) Tegangan

(V)

1 10 2.853

2 20 2.874

3 30 2.875

4 40 2.872

5 50 2.867

6 60 2.86

No Arus (A) Ei (J)

1 0.329 9.38637

2 0.2903 16.686444

3 0.2832 24.426

4 0.2826 32.465088

5 0.283 40.56805

6 0.2839 48.71724

Tabel 2. Data volume gas hidrogen dan

oksigen pada tabung fuel cell

No Volume gas

terbentuk

Volume gas

sisa

H2

(ml)

02

(ml)

H2

(ml)

02

(ml)

1 1 1 1 1

0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

2 2 2 2 2 Motor bergerak (s)

7.3

Energi gas yang terbentuk adalah:

n = v ∕ 22.4 L (2)

Keterangan

n = Energi gas

v = Volume sisa

Energi potensial yang terbentuk,

Eb = nH(Eikat H-H) + nO(Eikat O-O) –

2×nH2O(Eikat O-H) (3)

Keterangan

Eb = Energi potensial

Eikat H-H = 432 kJ

Eikat O-O = 494 kJ

Eikat O-H = 920 kJ

Tabel 3. Data energi untuk masing - masing

gas serta energi potensialnya

No nH nO

1 3.571E-05 8.929E-06

2 4.464E-05 1.339E-05

3 5.357E-05 1.786E-05

4 6.696E-05 2.232E-05

5 8.036E-05 2.232E-05

6 8.036E-05 2.232E-05

No nH2O Eb

1 3.571E-05 0.0855536

2 4.464E-05 0.1080446

3 5.357E-05 0.1305357

4 6.696E-05 0.1631696

5 8.036E-05 0.1935982

6 8.036E-05 0.1935982

Energi yang dipakai adalah:

Vdipakai = Vterbentuk – Vsisa (4)

Tabel 4. Data volume dan energi yang dipakai

No Volume gas yang

dipakai

Nh

Vhp

(ml)

Vop

(ml)

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0.3 0 1.339E-

05

4 0.3 0 1.339E-

05

5 0.2 0.1 8.928E-

06

6 0.4 0.1 1.785E-

05

No nO nH2O Ep

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 1.34E-

05

0.030428

4 0 1.34E-

05

0.030428

5 4.46E-

06

8.93E-

06

0.022491

6 4.46E-

06

1.79E-

05

0.042776

Tabel 5. Data energi output dari sumber

tegangan baterai

No waktu (s) Tegangan

(V)

1 10 2.682

2 20 2.614

3 30 2.502

4 40 2.391

5 50 1.634

6 60 1.269

No Arus (A) Eo (J)

1 0.2719 7.292358

2 0.2603 13.608484

3 0.2432 18.254592

4 0.2426 23.202264

5 0.2383 19.46911

6 0.2239 17.047746

Tabel 6. Data setiap energi pada sumber

tegangan baterai

Waktu (s) Ei (J) Eo (J)

10 9.38637 7.292358

20 16.686444 13.608484

30 24.426 18.254592

Waktu (s) Ei (J) Eo (J)

10 9.38637 7.292358

20 16.686444 13.608484

30 24.426 18.254592

Waktu (s) Ei (J) Eo (J)

10 9.38637 7.292358

20 16.686444 13.608484

30 24.426 18.254592

Waktu (s) Ei (J) Eo (J)

10 9.38637 7.292358

ɳ1 = Eb/Ei (5)

ɳ2 = Ep/Eb (6)

ɳ3 = Eo/Ep (7)

Tabel 7. Data efisiensi pada sumber tegangan

baterai

t (s) ɳ1 ɳ2 ɳ3

10 0.00211 0 -

20 0.00155 0 -

30 0.00130 0.1810 0.000316

40 0.00123 0.1448 0.000246

50 0.00112 0.0843 0.000198

60 0.00093 0.1686 0.000452

Grafik 1. Volume gas hidrogen bagian atas dari

gas oksigen terhadap waktu

2. Percobaan dengan menggunakan

baterai sebagai tegangan

masukannya

Grafik 2. Daya terhadap waktu dengan sumber

tegangan sel surya

Tabel 8. Data energi input dengan sumber

tegangan sel surya

No Waktu (s) Tegangan

(mV)

1 4 10.56

2 8 6.73

No Arus (A) Ei (J)

1 0.1534 6.479616

2 0.1251 6.735384

Motor bergerak (s)

12.4

Tabel 9. Data setiap energi pada sumber

tegangan sel surya

Waktu (s) Ei (J) Eo (J)

4 6.479616 3.59988

8 6.735384 9.89456

Waktu (s) Eb (J) Ep (J)

4 0.0732054 0.0202857

8 0.1080446 0.0101429

Tabel 10. Data efisiensi pada sumber tegangan

sel surya

t (s) t (s) t (s)

ɳ1 ɳ1 ɳ1

ɳ2 ɳ2 ɳ2

V. Pembahasan

Fuel cell harus dibuat lembab supaya

transfer proton dapat terjadi, karena H+

membutuhkan air untuk dapat berpindah

dari anoda ke katoda. Jika kondisi fuel cell

kering, H+ tidak dapat berpindah dari

anoda ke katoda.

Penyebab perbandingan gas H2 dan O2

yang terbentuk selama elektrolisis tidak

2:1 dikarenakan air yang digunakan tidak

100% murni. Ada campuran dengan zat

lain yang membuat perbandingan gas

oksigen dan hidrogen yang dihasilkan

tidak sesuai dengan teori. Suhu dan

tekanan pun ikut mempengaruhi.

Sisa gas yang tidak terpakai saat motor

penggerak dinyalakan, menunjukan energi

yang tersimpan dalam gas sisa tersebut

tidak cukup untuk menggerakan motor.

Sehingga beda potensial yang terjadi pada

fuel cell tidak dapat menggerakan motor

dan reaksinya terhenti.

Proses elektrolisis air menjadi H2 dan

O2 terjadi saat air dialiri arus listrik, yang

membuat bagian H+ dari air bereaksi

dengan electron sehingga terbentuk gas

H2, dan atom oksigen yang tersisa bereaksi

dengan atom oksigen lainnya sehingga

terbentuk gas O2.

Cara kerja dari Fuel cell ialah dengan

menggunakan katalis. Katalis tersebut

membantu proses ionisasi gas hidrogen

sehingga terbentuk H+ dan e-. H+ yang

terbentuk melewati membran khusus yang

hanya dapat dilewati oleh H+ menuju gas

O2. Sementara elektron akan bergerak

menuju katoda dengan melewati rangkaian

lalu bergabung dengan O2. Pergerakan

elektron ini akan menimbulkan medan

listrik dan pada tahap akhir reaksi akan

dihasilkan air.

Tidak terbentuk gas H2 dan O2

dikarenakan energi panas dari lampu

cahaya menghasilkan tegangan yang

sangat kecil. Namun untuk cahaya

matahari langsung, gas H2 dan O2

terbentuk seperti pada percobaan

sebelumya.

Yang mempengaruhi kecepatan

terbentuknya gas adalah jenis katalis yang

digunakan, energi yang digunakan untuk

mengionisasi gas-gas tersebut, suhu

lingkungan, serta molaritas zat yang

digunakan.

Beberapa Asumsi yang kami gunakan

pada praktikum kali ini adalah semua gas

dianggap sebagai gas ideal dan air yang

digunakan dianggap adalah air murni.

VI. Simpulan

Elektrolisis terjadi saat arus listrik

dialirkan, sehingga terbentuk gas hidrogen

dan oksigen. Waktu pengisian fuell cell

sangat berpengaruh. Semakin lama

waktunya maka volume gas yang dihasilkan

semakin besar.

VII. Pustaka

[1]

http://pelatihanguru.net/tag/fuel-cell-

adalah

(diakses tanggal 1 Desember 2013 pukul

19.46)

[2]

http://thefraserdomain.typepad.com/ener

gy/images/pemfc_shematic.gif (diakses

tanggal 1 Desember 2013 pukul 20.01)

[3]

http://www.solar-energy-

advisor.com/images/solar-panel-

diagram.gif

(diakses tanggal 1 Desember 2013 pukul

20.50)

[4]

Kittel C. Introduction to Solid State

Physics. 7th Edition. New York: John

Wiley & Sons, Inc.;1996.