“RANCANG BANGUN ALKALINE FUEL CELL (AFC) DENGAN ELEKTRODA STAINLESS STEEL,

ALUMUNIUM, BESI, DAN SENG”

Tugas Akhir – TM 090340

Oleh:Oleh:Alda Bagas Setiawan

2106 030 007

Dosen Pembimbing : Ir. Denny M.E. Soedjono

D3 Teknik Mesin

Fakultas Teknologi

Industri

Institut Teknologi

Sepuluh Nopember

Surabaya

2010

1.1Latar Belakang:

• Kebutuhan manusia akan peralatan penghasil energi yang bebas

polusi, mudah diaplikasikan, serta fleksibel, juga dapat digunakan

sebagai energi cadangan di luar ketergantungan kita terhadap

energi yang selama ini disuplai oleh negara.

•Pada tahun 1839, William Grove memperkenalkan fuelcell untuk

pertama kalinya. Prinsip kerja dari fuel cell adalah kebalikan dari

proses elektrolisis. Elektrolisis adalah proses pemisahan H2O

Menjadi H dan O . Sedangkan prinsip kerja Fuel cell adalah

BAB I

Menjadi H2 dan O2. Sedangkan prinsip kerja Fuel cell adalah

menggabungkan H2 dan O2 untuk membentuk H2O.

•Emisi yang dihasilkan oleh Fuel cell jauh lebih kecil daripada

emisi mesin berbahan bakar fosil sehingga ramah terhadap

lingkungan. Daya yang dihasilkan dari fuel cell bisa mencapai 2 Kw

sehingga dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik cadangan yang

fleksibel serta aplikatif. Fuelcell juga mempunyai nilai efisiensi

yang baik hingga mencapai 70%.

•Mencari bahan pengganti dari elektroda platina yang saat ini

digunakan pada Alkaline Fuel Cell dimana harga platina sangatlah

mahal.

1.2 Perumusan Masalah:

� Perencanaan dan rancang bangun pembuatan Alkaline Fuel Cell (AFC) sederhana.

� Tegangan yang dihasilkan masing – masing elektroda ( Stainless steel, alumunium,

besi, dan seng)

� Efisiensi tiap elektroda

� Dampak dari penggunaan masing- masing elektroda

� Perbandingan besar tegangan dan efiensi yang dihasilkan dari keempat elektroda

(stainless steel, alumunium, besi, dan seng) dengan elektroda tembaga yang telah

diuji sebelumnya yang menghasilkan listrik maksimum sebesar 0,04Volt dan Efisiensi

BAB I

diuji sebelumnya yang menghasilkan listrik maksimum sebesar 0,04Volt dan Efisiensi

aktual sebesar 3,1%

1.3 Tujuan :

� Dapat diketahui bagaimana cara merencanakan dan membuat

Alkaline Fuel Cell (AFC) sederhana.

� Dapat diketahui besar tegangan yang dihasilkan fuelcell dari

masing- masing elektroda. (stainless steel, alumunium, besi dan

seng)

� Efisiensi fuelcell dari masing- masing elektroda

� Dampak dari pemakaian elektroda

� Dari beberapa parameter di atas, maka dapat diambil kesimpulan

bahan mana yang paling baik untuk dijadikan pengganti elektrodabahan mana yang paling baik untuk dijadikan pengganti elektroda

platina pada Alkaline Fuel Cell (AFC)

1.4 Batasan Masalah :

� Hidrogen dan oksigen bertekanan 1 atm

� Aliran hidrogen dan oksigen yang masuk steady flow

� Efisiensi

� Hidrogen dan oksigen yang dimasukkan murni

BAB I

2.1 Definisi Fuel Cell :

Fuel cell adalah suatu alat elektrokimia yang mempunyai pinsip kerja

yaitu merubah energi kimia dari bahan kimia diubah secara langsung menjadi

energi listrik.

BAB II

2.2 Elemen Fuel Cell (AFC) :

• Elektroda (Platina, Stainless steel, alumunium, besi, seng)

• Elektrolit (KOH)

• Bahan bakar (Hidrogen) dan pengoksidasinya (Oksigen)

2.3 Prinsip kerja Fuel Cell :

A + B C + ∆H

A = Bahan bakar B = Pengoksidasi

C = hasil reaksi ∆ H = Panas reaksi

2.3.1 Urutan proses reaksi :

Anoda : A A+n + ne-

Katoda : B + ne- + A+ C

BAB II

Reaksi total : A + B C + Energi panas + listrik

2.3.2 Reaksi Sel :

Anoda : H2 2H+ + 2e-

Katoda : ½O2 + 2H+ + 2e- H2O(gas)

Reaksi : H2 + ½O2 H2O(gas) + panas + listrik.

2.4 Jenis Fuel Cell :

•Alkaline Fuel Cell (AFC )

•Direct Methabol Fuel cell (DMFC)

•Moltene Carbonate Fuel Cell (MCFC)

•Proton Exchange Membrane Fuel Cell, juga

disebut Proton Elektrolit membrane Fuel Cell

(PEMFC)

•Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

•Zinc Air Fuel Cell (ZAFC)

•Microbial Fuel Cell (MFC)

BAB II

•Microbial Fuel Cell (MFC)

•Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC)

2.5 Produksi Hidrogen :

a. Proses Ekstrasksi gas alam

b. Elektrolisis

BAB II

Gambar 2.15 proses pembuatan hidrogen dengan ekstraksi gas alam

BAB II

Gambar 2.16 proses elektrolisis

�Proses ini membutuhkan aliran listrik

3.1 Diagram Alir :

Studi Literatur

Perancangan model fuel cell

Pemilihan Bahan

Perakitan alat

Pengujian alat

Mulai

BAB III

Data percobaan

Hasil

Selesai

Perbaikan Model

Gambar 3.1 Diagram alur metodologi pengujian

Tidak

3.2 Persiapan sebelum pengujian alat :

• Membuat wadah elektrolisis dan wadah fuel cell

• Mempersiapkan elektroda dan dibentuk sesuai

dengan dimensi yang telah ditentukan

• Mempersiapkan larutan KOH dengan konsentrasi

10% dan 30%

• Termometer

• Voltmeter

• Sarung tangan

BAB III

Tata cara melakukan percobaan adalah sebagai

berikut:

•Pakai sarung tangan lebih dahulu

•Tuangkan larutan KOH ke dalam wadah fuelcell

yang telah dibuat

•Pasangkan plat elektroda pada tutup wadah

fuelcell yang telah dipasangkan

•Hubungkan charger pada istrik agar proses

elektrolisis dimulai

•Tunggu hingga gas hidrogen terkumpul (dalam

BAB III

•Tunggu hingga gas hidrogen terkumpul (dalam

percobaan ini, tiap elektroda diberi waktu 5

menit sebelum diukur)

•Ukur besar tegangan dan temperatur yang

dihasilkan

•Percobaan ini dilakukan bergantian untuk tiap

elektroda

•Setelah empat elektroda diuji dan didapatkan

datanya, maka dilakukan penggantian larutan

dengan konsentrasi yang berbeda ( setelah 10%

kemudian diganti dengan 30%) dan dilakukan

kembali pengujian seperti urutan di atas.

Material Elektroda

Tegangan yang dhasilkan (Volt)

Temperatur yang dihasilkan (OC)

Keterangan

Stainless Steel 7,2 42 Tidak bereaksi

Alumunium 2,85 43 Bereaksi (sebagian

Data yang diperoleh dari percobaan menggunakan larutan dengan konsentrasi 10 % :

(sebagian material elektroda ikut terlarut dalam KOH)

Besi 5,4 44 Bereaksi

Seng 2,6 40 Bereaksi

Material Elektroda Tegangan yang dhasilkan ( Volt)

Temperatur yang dihasilkan (OC)

Keterangan

Stainless Steel 7,5 45 Tidak bereaksi

Alumunium 4,2 65 Bereaksi (sebagian material elektroda ikut terlrut dalam KOH)Terdapat endapan logam berwarna hitam dan merubah warna larutan KOHTerjadi kenaikan temperatur yang tinggi akibat alumunium bereaksi dengan larutan KOH

Data yang diperoleh dari percobaan menggunakan larutan dengan konsentrasi 30% :

KOH

Besi 5,8 46 Bereaksi ( terjadi perubahan warna pada plat besi akibat sebagian material terlarut dalam KOH)

Seng 4,1 43 Bereaksi ( Terdapatendapan logam padalarutan)Merubah warnamenjadi sedikit keruh

1.Plat alumunium

Keterangan : •Pada saat alumunium dicelupkan ke dalam larutan KOH, terjadi reaksi dengan ditandai dengan terjadinya gelembung- gelembung kecil.•Muncul endapan berwarna hitam pada larutan KOH•Pada saat penambahan konsentrasi (dari 10% menjadi 30%) terjadi kenaikan temperature yang cukup signifikan yaitu 43oC naik menjadi 65oC.•Plat berubah warna menjadi kehitaman seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas

2.Plat seng :

Keterangan :•Terjadi perubahan warna pada larutan KOH menjadi keruh namun tidak sepekat yang terjadi pada plat alumunium•Muncul endapan berwarna hitam seperti yang terjadi alumunium namun tidak sebanyak yang terjadi pada plat alumunium•Terjadi perubahan warna pada plat menjadi hitam seperti yang ditunjukkan gambar di atas

3.Plat besi :

Keterangan :•Warna pada plat besi berubah menjadi lebih bersih dan mengkilap•Korosi yang menempel pada besi menjadi hilang.

4. Plat stainless steel:

Keterangan:•Tidak terjadi perubahan warna pada plat stainless steel

42

51

44

40

45

65

46

43

30

40

50

60

70T

em

pe

ratu

r (O

C)

Grafik konsentrasi larutan terhadap temperatur

0

10

20

30

Stainless steel Alumunium Besi Seng

Te

mp

era

tur

(

Larutan 10% Larutan 30%

7.2

2.85

5.4

7.5

4.2

5.8

3.94

5

6

7

8

Te

ga

ng

an

(V

olt

)

Grafik konsentrasi larutan terhadap tegangan yang dihasilkan

2.852.6

0

1

2

3

Stainless steel Alumunium Besi Seng

Te

ga

ng

an

(V

olt

)

Larutan 10% Larutan 30%

72

54

75

42

58

3840

50

60

70

80a

ct (

%)

Grafik konsentrasi larutan terhadap efisiensi yang dihasilkan

2826

0

10

20

30

Stainless steel Alumunium Besi Seng

ηη ηηact

(%

)

Larutan 10% Larutan 30%

Kesimpulan:

•Nilai efisiensi sel berbanding lurus dengan tegangan listrik

yang dihasilkan, makin besar tegangan listrik yang

dihasilkan, makin besar pula nilai efisiensi yang dimiliki

fuelcell.

• Dari keempat elektroda yang diuji, stainless steel

menghasilkan tegangan listrik yang paling tinggi ( 7,5Volt)

dan mempunyai efisiensi yang paling tinggi (ηact= 75).

BAB V

dan mempunyai efisiensi yang paling tinggi (ηact= 75).

Selain itu , stainless steel juga tidak mengalami kerusakan

seperti yang terjadi pada ketiga elektroda lainnya.

•Stainless steel dapat dijadikan elektroda pengganti

elektroda platina.

Terima Kasih

WassalaamuallaikumWarohmatullohiWabarrakatuh

Pembuatan Larutan KOH konsentrasi 10% dan 30%:

Konsentrasi Larutan = volume KOH

volume total

Kita ambil contoh perhitungan pada larutan dengan konsentrasi 10%, cara

pembuaannya adalah sebagai berikut :

Konsentrasi = 10% = 0,1

Volume total = 1,2 liter (1,2 dm3)

Maka,

Volume KOH = 0,1 x 1,2 dm3 = 0,12 dm3

Diasumsikan bahwa 1 liter air = 1 kg, maka volume KOH = 120 gram

KOH yang tersedia di pasaran biasanya berbentu kristal, sehinggaKOH yang tersedia di pasaran biasanya berbentu kristal, sehingga

untuk membuat volume KOH sebesar 0,12 dm3 maka perlu kita ketahui

massa jenis dari KOH, massa jenis tersebut dapat kita ketahui dari table 3.1

2,044 gram/cm3 = massa KOH/ 120 cm3

Massa KOH = 245,28 gram

Gambar 3.2 Wadah fuelcell untuk pengujian elektroda

Gambar 3.3 Wadah tempat elektrolisis

Gambar 3.4 Charger sumber arus listrik

BAB III

Pada perhitungan ini, data yang kita ambil adalah data dari elektroda besi.Karena elektroda besi menghasilkan listrik yang besar, juga karena suhu yang dihasilkan tidak begitu tinggi.Diketahui :T = 46oC + 273 = 319KV = 5,8 VoltAsumsi :Hidrogen bertekanan 1atmOksigen bertekanan 1,1 atmProduk uap bertekanan 1 atmDari tabel 3.1 didapatkan data :Pada tekanan 1 atm dan temperatur 25oC (pada kondisi standard):

∆G(uap)= 298,13

∆H(uap)= 241,83

∆H(air) = 285,83

Dengan menggunakan data di atas, kemudian dilakukan interpolasi dari tabel 3.1 (Lampiran) maka didapatkan data sebagai berikut:

Data uap air:Gf(H2O) = 302,09

Hf(H2O) =241,124

Sf(H2O)= 191,1015

Data Hidrogen:

Hf(H2) =0,601

Sf(H2)= 132,627

Data Oksigen:

Hf(O2)= 0,595

Sf(O2)= 207,036

Dengan mengguakan rumus reaksi sebagai berikut:

Anoda ; 2H2 + 4OH- 4H2O + 4e-

Katoda : 2H2O + O2+ 4e- 4OH-

Reaksi sel : H2 + O2 H2O(gas) + panas + listrik

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H - T∆∆∆∆S

∆∆∆∆H = Hf (H2O(gas)) – (Hf(H2) + (0,5)Hf(O2))

= 241,124 - (0,601 ) + (0,5) 0,595 )

= 241,124 - 0,8985

= 240,2255

∆∆∆∆S = Sf (H2O(gas)) – (Sf(H2) + (0,5)Sf(O2))

= 191,1015 – (132,627 + (0,5)207,036 )

= 191,1015 - 238,145

= -47,0435

T∆∆∆∆S = 319K x 47,0435

= -15.006,8765

∆∆∆∆G = 240,2255 +15.006,8765 = 255,23238

∆∆∆∆G = nFy Eog

EoG =

= =

=1,323Volt

= 1,323Volt + .ln

= 1,323Volt – 0,5496Volt

= 0,7735Volt

Efisiensi Maksimum:

η =

ηmax=

Sedangkan ∆G = ∆H - T∆S

Maka,

ηmax = 1-

η = 1 –ηmax = 1 –

= 1 – 0,0624

= 0,937 = 93,7%

Efisiensi Aktual:

ηact=

ηact =

=

= 0,582

= 58,2%= 58,2%

Gambar 3.5 Dimensi plat elektroda

Gambar 3.6 Cara pengujian elektroda

Alkaline Fuel Cell (AFC) menggunakan alkaline potassium

hydroxide (KOH) sebagai elektrolit, peralatan ini dapat menghasilkan

efisiensi sampai 70%. Alkaline Fuel Cell mempunyai biaya yang relatif

mahal, sehingga tidak dipakai untuk keperluan komersial.

Dalam sel ini ion hidroksil (OH-) berpindah tempat dari anoda ke

katoda. Pada anoda gas hidrogen bereaksi dengan ion OH- untuk

menghasilkan proton dan melepaskan elektron. Elektron yang dihasilkan

pada anoda menyuplai energi listrik ke sebuah sirkuit eksternal kemudian

kembali ke katoda. Pada katoda, elektron bereaksi dengan oksigen dan air

untuk menghasilkan lebih banyak ion OH- yang menyebar ke dalamuntuk menghasilkan lebih banyak ion OH- yang menyebar ke dalam

elektrolit.