Sintesis Bahan Baru Hidrokarbon Polimer untuk Membran Elektrolit Padat dalam Direct Methanol Fuel Cell

(Eniya Listiana Dewi)

SINTESIS BAHAN BARU HIDROKARBON POLIMERUNTUK MEMBRAN ELEKTROLIT PAD ATDALAM DIRECT METHANOL FUEL CELL

Eniya Listiani DewP, Dani Endar Purwanto2, Dora Olivia2 dan Rochmadi2JPusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Material (P3TM) - BPPT

GdII, Lt. 22, Jl. M H Thamrin 8 Jakarta 103402Laboratorium Teknologi Tinggi Polimer, Jurusan Teknik Kimia, UGM

Jl. Grafika 2, Yogyakarta 55281

ABSTRAK

SINTESIS BAHAN BARUHIDROKARBON POLIMER UNTUK MEMBRANELEKTROLITPADAT

DALAM DIRECT METHANOL FUEL CELL. Sintesis polimer sebagai elektrolit padat untuk menggantikankedudukan Nation sangat diharapkan, disamping untuk menekan biaya produksi juga untuk mengurangi dayahantar molekul terutama metanol yang menerobos membran (methanol crossover) untuk khusus pad a permasalahandalam Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Pembuatan elektrolit padat dengan akrilonitril dan 2-acrylamide-2­methyl propane sulfonic acid dapat dengan mudah dilakukan dengan pelarut DMF. Kopolimer akrilonitril-akrilamidmempunyai gugus sulfonat yang berfungsi untuk menghantarkan proton (H+) dalam sistemfuel cell. Dalam penelitianini dijelaskan proses sintesis dan permeabilitas membran yang berubah pada berbagai konsentrasi metanol danpenambahan elektrolit pendukung dalam metano!. Morfologi permukaan membran yang dianalisis dengan SEM.Transport metanol dan air pada membran dianalisis dengan mengetahui daya serap air dan metano!. Kesimpulanhasil riset ini tidak hanya sebagai terobosan baru teknologi penurunan biaya produksi tetapijuga sangat mendukungpenyelesaian problem kontrol air dalam membran untuk mencegah kekeringan dan metanol crossover pada directmethanol fuel cell dan polymer electrolyte fuel cell.

Kata kunci : Fuel cell, methanol crossover, koetisien difusi, proton exchange membrane.

ABSTRACT

NOVEL HYDROCARBON POLYMER FOR SOLID ELECfROLYTEIN DIRECfMETHANOLFUELCELL.

Many novel polymer electrolyte membranes were found to replace the Nation membrane for using in direct methanolfuel cell (DMFC), in order to solve the problem of fuel crossover (methanol crossover) in DMFC and also to reducethe cost production of solid electrolyte. Here we found the synthesis of copolymer membrane using the acrylonitrileand 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid with DMF as a solvent. The copolymer membrane has a sulfonateto transfer a proton (H+) in fuel cell system. In this result we found that permeabEity ofthis copolymer will decreaseduring the addition of supporting electrolyte in various methanol concentrations. The surface of membranes wasanalyzed using SEM. These results must be usefully as polymer electrolyte to solve the problem of water control inhigh temperature of fuel cell and also in direct methanol fuel cell.

Key words: Fuel cell; methanol crossover; koetisien difusi; proton exchange membrane.

PENDAHULUAN

Fuel cell adalah perangkat elektrokimiayang seeara langsung mengubah energi kimiamenjadi energi listrik dan panas selama terdapatbahan bakar (seperti hidrogen, hidrokarbon,alkohol, gas alam) dan oksidator (yaitu oksigen).Fuel cell atau sel tunam sangat dinantikan sebagaipembangkit listrik dalam berbagai aplikasi sepertigenerator statis, alat transportasi dan berbagai

peralatanelektronik.Sekarang inipemilihanbahanbakar difokuskan pada bahan bakar eair. ProtonExchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)term asuk didalamnya adalah jenis PolymerElectrolyte Fuel Cell (P EFC) dan DirectMethanol Fuel Cell (DMFC) adala4fuel cellyang bekerja dengan bahan bakar eair (baikhidrogen eair dan metanol) dan gas, yang

71

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

Sintesa 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid

ISSN 1410-8720

Li-t ~-I~\ H H H ,H3) mCONHCCH2S03H

ICH3

Poly-acrylonitril acrylamide sulfonic acid

Gambar 1. Skema sintesis

merupakan jenis fuel cell yang paling dinantikansebagai pembangkit tenaga listrik dalam otomotifdan elektronika. Penelitian pada DMFC sangatgencardigeluti,karena sulmoperasionalyang lebihrendah, menggunakan larutan metanol dan air,serta lebihaman dibandingkan dengan PEFC yangberbahan bakar hidrogen. Walaupun demikian,terdapat kendala dalam DMFC yaitu rapat tenagarendah, efisiensibahan kabar rendah karena reaksi

kinetik yang rendah dan pengaruh dayapermeabilitas metanol atau cross over sehinggamenyebabkan penurunan kapasitas [1].

Struktur dari PEMFC adalah terdapatnyamembran polimer (proton exchange polimerseperti ionomer perjluorinated sulfonic acid,

Nafion) yang dijepit <y1tara-anoda~katodauntuk membentuk ~brane ElectrodeAssembly (MEA). MEA kemudian"dijepifaengani~mpengan bipolar yang merupakan saluranhidrogen dan oksigen. Pengembangan teknologipada fuel cell terfokus untuk meningkatkankemampuan katalis anoda untuk mengurangioverpotential, peningkatan performa membranelektrolit serta peningkatan reaktifitas kataliskatoda terhadap gangguan crossover bahan bakaryang berpindah dari anoda ke katoda [1].

Kendala ekonomis manufakturfuel cellsalah satunya adalah mahalnya elektrolit padatuntuk MEA (Nafion 1000$/m2), sehinggapenelitianbanyakdifokuskanpada pengembanganjenis polimer elektrolit yang dipakai yaitumodifikasi polimer membran yang mengandungjluoride (Nafion (perjluorinated sulfonic acidionomer)) [2-5], non-fluoride (sejenishidrokarbon)yang murah sertapalimer suhu tinggiseperti jenis polysulfone [6], poly(ether etherketone) [7], polyphenylene oxide [8].

72

Dalam percobaan ini dicoba pembuatanmembran barn jenis hidrokarbon yang nantinyadiharapkan mempunyai konduktifitas tinggisehingga dapat mentransfer proton denganbaik,mempunyaidayapermeabilitasmetanolyangrendah, serta metode sintesis yang mudah danmurah. Dengan tujuan untuk menurunkancross-over maka dico ba pula pengaruhpenambahan supporting elektrolit (KCI) dalamlarutanmetanol.

METODEPER~OBAAN _",-

Sintesis 2~f.!.crylamide-2-methylpropanesulfonic acid dapat-dilihat pada Gambar 1.Metode sintesis acrylonitrile denganacrylamidedilakukan dengan cara mencampurkan2-acrylamide-2-metyl propane sulfonic acidsebanyak 6 gram dengan acrylonitrile sebanyak23,4 mL ke dalam labu leher tiga dengan sedikitperubahan dari literatur terdahulu sepertidijelaskan berikut [9]. Kemudian ditambahkan1,2 g ammonium peroxo disulfate pada larutantersebut. Tahap selanjutnya adalah mereaksikanlarutan tersebut dengan pengaduk mekanik padasuhu 70J.lC selama 1jam untuk mendapatkanlarutan kopolimer 1. Langkah berikutnya adalahmenambahkan H20 ke dalam larutan denganpengadukan. Selanjutnya saring larutan danbiarkan endapannya dalam 1 hari. Prosesselanjutnya adalah meng-casting larutan tersebutuntuk membuat membran thin film. Langkahpertama dengan mencampur endapan dengan

H20 dan DMF. Masukkan larutan tersebut kedalam labu leher tiga lalu aduk selama 2 jamdengan suhu 100J.lC. Setelah itukeringkan dalamoven dengan suhu 11OJ.lC semalaman. Untuk

Sintesis Bahan Baru Hidrokarbon Polimer untuk Membran Elektrolit Padat dalam Direct Methanol Fuel Cell

(Eniya Listiana Dewi)

memudahkan pengelupasan, membran dalampetridish dapat direndam dalam aquadeskemudian membran dikeringkan dalam suhu60°C sampai berat membran tidak berubah. Hasilcasting membran 1 dipotong dan digunakanuntuk eksperimen selanjutnya.Analisisspektroskopi menggunakan. Analisis strukturmenggunakan Scanning Electron Microscope(SEA!) JEOL 531OLV,diperlihatkan seperti padaGambar 3

HASIL DAN PEMBAHASAN

Morfologi Permukaan Membran

Seperti pada Gambar 2, permukaanmembran sedikit bergelombang. Castingmembran yang dilakukan dengan larutan DMFdan air sebagai pelarut membuat suatu bentukpadatan dalam larutankopolimer.Larutantersebutmudah untuk dicasting dan dikelupas untukmendapatkan lembaran membran yang ratajikadilihat dengan kasad mata. Ketebalan membranyang didapat antara 100 J.lmhingga 150 J.lm.

Gambar 2. Prototipe membran 1.

Penyerapan Air

Untuk mengetahui daya serap air dalammembran, dicelupkan dalam masing-masinglarutan aquades dan metanol dalam berbagaikondisi selama semalam kemudian dikeringkan.Dari Tabell, bisa dilihat hasil timbangan dalamkondisi dry (sebelum dicelupkan) dan wet (setelahdicelupkan dan dikeringkan permukaannya).Penyerapan larutan metanol ke dalam membranseluruhnya memenuhi standar daya serap untukdipakai dalam manufaktur Membrane ElectrodeAssembly (MEA) fuel cell yaitu < 30%.Penyerapan larutan metanol dalam membran naikseiringdengankenaikan konsentrasimetano!.Dan

Gambar 3. SEM membran 1.

Tabel 1. Persentase penyerapan larutan dalammembran (%)

Pelarut Membran 1

H2O

8.1

1 M CH30H

10.8

3 M CH30H

11.5

10 M CH30H

15.91 M CH30H + 0.02 M KCI

3.2

3 M CH30H + 0.02 M KCI

5.210 M CH30H + 0.02 M KCI

6.6

dengan adanya penambahan elektrolit pendukungseperti kalium klorida akan banyak mengurangipenyerapan larutan lebih dari 50%.

KESIMPULAN

Untuk menurunkan cross-over metanol

cair dari sisi anode ke katode pada stack fuel·cell, salah satunya adalah dengan caramemodifikasi membran atau mengolah larutanbahan bakar sendiri. Untuk penelitian selanjutnyadilakukan modifikasl membran dengan bahanhidropilik. Pada penelitian disini telah dicobabahwa dengan adanya elektrolit pendukungseperti KCI dan NaCI, yang dapat ditambahkanpada bahan bakar dengan persentase tidak lebihdari 20% maka akan mempengaruhi dayapermeabilitas metanol hingga berkurang. Secaratotal nilai ekonomis dari pembuatan membrantersebut sangat lebih murah dari sintesis polimeryang berjlorine.

DAFTAR PUSTAKA

[1] G. HOOGERS, Fuel Cell Technology.Handbook, CRC Press, Chapter 1 (2003)

[2] P.GENOVA-DIMITROVA, B. BARADIE,D. FOSCALLO, C. POINSIGNON_, J.Y.

73

Prosiding Simposi~m Nasional Polimer V

SANCHEZ, Journal of MembraneScience, 185 (2001) 59-71

[3] ENIYA LISTIANI DEWI, ROHMADI,Reducing Methanol Permeability byMoisture Absorbing Particle on ModifiedNafion Membrane, Applied MembraneScience & Technology, (accepted) (2006)

[4] ENIYALISTIANI DEW!, Polimer elektrolitMembran Dalam Teknologi Fuel Cell,Proceeding Kolokium Hasil Litbang 2004ESL>M(2005) .

[5] ENIYA LISTIANI DEWI, The Effect ofMoisture Absorbing Particles on MethanolPermeability of Modified Nation Membrane

in Fuel Cells, Proceeding 3rd RegionalSymposium on Membrane Science andTechnology (2005)

[6] C. MANEA, M. MULDER, L>esalination,147, (2002) 179-182

[7] J. KERRESA_, W. ZHANGA, L.JORISSENB, V. GOGELB, Journal ofNew Materials for ElectrochemicalSystems 5, (2002) 97-107

[8] R. MOHRA, V. KUDELAB, J.SCHAUERB, K. RICHAUA,L>esalination, 147, (2002) 191-196

[9] T. ARIMURA, D. OSTROVSKII, T.OKADA, G. XIE, The Effect of Additiveon the Ionic Conductivity Performance ofPerfluoroalkyl Sulfonated IonomerMembranes, Solid State Ionics, 118, (1999)1-10

74

ISSN 1410-8720