PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN ALKOHOL PEM ELEKTROLYSER DENGAN APLIKASI IDEAL-TRIPLE-PHASE INTERFACIAL STRUCTURE

PADA MEA

 

Eniya Listiani Dewi, Dewi Kusuma Arti, Agus Prasetyo N., Yuwana Pradana, Kurniawan, Oka Pradipta A.

 

Pusat Teknologi Material Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi

Gd 2 Lt 22 Jl. MH. Thamrin 8, Jakarta Pusat 10340

Telepon (021) 3169887

e-Mail : eniyalist@yahoo.com

 

 

Abstrak. Elektrolisis metanol yang menggunakan Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) merupakan proses reverse-fuel cell yang menghasilkan hidrogen sebagai bahan bakar. Salah satu komponen paling penting yang mendukung efisiensi sel bahan bakar adalah elektrokatalis.Katalis digunakan untuk mempercepat reaksi hidrogen dan oksigen. Dalam proses pembuatan elektrokatalis, luas area katalis harus besar sedangkan ukuran partikel harus berukuran nano. Selama ini untuk katalis pada pembuatan MEA, Pt/C ditambahkan dengan Nafion solution. Hal ini kurang efektif karena Nafion solution akan menutupi permukaan katalis. Metode pembuatan katalis yang digunakan pada penelitian ini adalah metode Polyol. Analisa katalis dilakukan dengan menggunakan Cyclic Voltammogram (CV) yang mampu membedakan reaktifitas katalis pada kondisi dibawah nitrogen dan oksigen dan diketahui bahwa reaktifitas katalis sintesa lebih tinggi dibandingkan katalis komersial pada kondisi dibawah oksigen (O2).Hal ini menunjukkan bahwa Pt pada permukaan area karbon setelah dilapisi Nafion atau polielektrolit dapat bekerja dengan baik dibandingkan katalis komersial. Desain elektroliser untuk produksi hidrogen dengan menggunakan PEMFC pun telah ditentukan dengan mengacu pada konsep elektroliser yang menggunakan tekanan tinggi pada inlet masuk sehingga diperoleh tekanan yang lebih tinggi pada inlet keluar.

 

Kata Kunci : methanol electrolyser, fuel cell, elektrokatalis, metode Polyol.

 

 



Pendahuluan

Energi alternatif yang telah menjadi suatu kebutuhan pokok pada perkembangan ekonomi, merupakan hal yang harus ditelaah mulai dari proses produksinya hingga penyimpanannya. Proses produksi yang menghasilkan pula gas karbondioksida (CO2) telah banyak ditinggalkan negara maju. Dalam laporan Tokyo Gas Co pada tahun 2009, jika proses produksi minyak bumi dianggap 100% mengeluarkan CO2, maka produksi gasoline, LPG, CNG dan gas hidrogen berturut-turut adalah 98, 74, 60 dan 44%. Maka dapat terlihat bahwa walaupun gas hidrogen sebagai energi sekunder (harus diproses dari sumber lain) dalam proses produksinya sudah menekan CO2 demikian signifikan dibandingkan dengan pengolahan minyak bumi. Melihat hal tersebut penggunaan hidrogen sebagai sumber energi baru adalah hal yang mutlak.

Penerapan teknologi energi terbarukan sangat penting untuk mengurangi ketergantungan kita pada bahan bakar minyak (BBM) dan mengurangi emisi CO2 untuk memperlambat laju pemanasan global. Di masa depan, hidrogen diharapkan banyak diproduksi sebagai bahan bakar transportasi yang tidak menyumbang pemanasan global. sebagai salah satu energi alternatif yang paling menarik, hydrogen digunakan dalam fuel cell untuk menghasilkan listrik atau langsung di internal pembakaran motor. Fuel cell menghasilkan listrik dan air dari reaksi antara hidrogen dan oksigen. Reaksi ini terjadi tanpa pembakaran.

Secara khusus, polimer elektrolit sel bahan bakar membran (PEMFCs) telah dikembangkan sebagai alternatif yang menjanjikan untuk konversi energi digunakan untuk aplikasi mobile dan stasioner karena kompatibilitas lingkungan mereka dan efisiensi energi tinggi.

Salah satu komponen yang paling penting yang mendukung efisiensi bahan bakar sel adalah elektrokatalis. katalis digunakan untuk mempercepat reaksi hidrogen dan oksigen untuk membentuk air karena laju reaksi ini sangat lambat pada kondisi normal. Logam mulia, terutama platina (Pt), digunakan untuk electrocatalysts karena fuel cell beroperasi pada suhu rendah dan elektrolitnya berkarakter asam kuat.

Gambar 1. Gambar skematik elektrokatalis dan skema elektroliser.

 

Lapisan katalis antara membran ionomer dan substrat, merupakan senyawa konduktif. Reaksi elektrokimia terjadi pada permukaan katalis. Perubahan energi kimia menjadi energi listrik dalam PEMFC terjadi melalui reaksi elektrokimia langsung. Agen pelindung misalnya larutan Nafion (Nafion solution), bagaimanapun, kadang-kadang menonaktifkan reaksi katalitik atau menghambat difusi reaktan dan produk pada permukaan nanopartikel karena interaksi yang kuat dan kurangnya permeabilitas gas. Hal ini dapat mengurangi kinerja fuel cell sel hingga 60%. Jadi, diperlukan prosedur tambahan untuk meniadakan agen pelindung sebelum menambahkan nanopartikel ke elektrokatalis, sehingga didapatkan aktivitas dan hasil yang tinggi.

Untuk itu, yang dilakukan pertama kali adalah memperoleh suatu metode baru untuk pembuatan katalis Pt-alloy sebagai tempat terjadinya reaksi. Dalam proses pembuatan elektrokatalis, luas area katalis harus besar sedangkan ukuran partiket harus super kecil (nanopartikel). Selama ini untuk katalis pada pembuatan MEA, Pt/C ditambahkan dengan Nafion solution. Hal ini kurang efektif karena nafion solution akan menutupi permukaan katalis. Metode pembuatan katalis yang akan digunakan pada kegiatan ini adalah metode Polyol.

Selain pembuatan katalis, akan dilakukan pula desain sistem prototype produksi gas hidrogen murni dengan ideal-PEM (triple phase interfacial structure). Dengan adanya katalis dan desain sistem prototipe tersebut maka akan diperoleh teknologi manufaktur single PEM untuk produksi hidrogen tekanan 14-100 psi.

 

Metode

Sintesa katalis dilakukan melalui proses metode ITPIS, dimana dilakukan coating polymer yaitu Nafion pada serbuk karbon yang didapat dari industri (PT. International Chemical Industri ABC Battery) yang biasa digunakan sebagai bahan baku elektroda. Pada karbon yang telah dicoating Nafion, ditempelkan garam platina (H2PtCl6). Pada penelitian ini telah dilakukan karakterisasi material tersebut dengan analisa struktur nano-patikel menggunakan TEM, SEM dan EDAX untuk katalis dengan variasi kandungan 10%, 20% dan 40%. Dari hasil analisa struktur nano-partikel diperoleh hasil bahwa metode ITPIS efektif menghasilkan struktur katalis yang merata dan tidak menumpuk sehingga saat diaplikasikan dalam MEA untuk fuel cell Platina akan semakin reaktif dan bereaksi secara optimum karena tidak tertutup oleh polimer.

 

Hasil dan Pembahasan

Dalam penelitian ini, metode yang digunakan untuk pembuatan nano katalis adalah metode Polyol. Metode ini diawali dengan pelapisan Nafion solution (Nafsol) pada carbon black (CB). Hasilnya berupa endapan yang dikeringkan dengan filtrasi menggunakan crussible glass. Selanjutnya Pt sebagai katalis didukung pada carbon black-Nafion. Hasilnya pun berupa endapan yang kemudian dikeringkan dengan filtrasi menggunakan crussible glass.

Karakterisasi nanokatalis yang dihasilkan dilakukan dengan pengamatan SEM dan TEM untuk mengetahui struktur morfologi katalis.

 

(a) 

(b) 

Gambar 2. Analisa SEM pada AB-Nafion-Pt [1:1] dengan loading Pt pada karbon 47% (a) perbesaran x50000 (skala garis 50nm).

 

Untuk proses produksi katalis dilakukan dengan tahapan yang telah didapat dan dioptimalkan proses produksinya dan kemudian dilakukan dengan jumlah yang banyak dan kecepatan pembuatan telah dipersingkat. Analisa katalis dilakukan dengan menggunakan Cyclic Voltammogram (CV) yang mampu membedakan reaktifitas katalis pada kondisi dibawah nitrogen dan oksigen. Diketahui bahwa reaktifitas katalis sintesa lebih dari katalis komersial pada kondisi dibawah oksigen (O2), didapat kesimpulan bahwa Pt pada permukaan area karbon setelah ditempeli Nafion atau polielektrolit dapat bekerja dengan baik melebihi komersial. Potensial reduksi oksigen Pt rata-rata terlihat pada 0.798 V vs Pt/AgCl.

Selanjutnya untuk membuat fuel cell, katalis termodifikasi dilapiskan dengan metode brushing dengan mudah tanpa peralatan khusus pada kertas karbon berserat untuk menghasilkan elektroda. Elektroda dan Nafion sebagai membrane elektrolit kemudian dihotpress bersama untuk mendapatkan MEA (membrane-electrode-assembly) pada suhu 1300 C, tekanan 80 kgf/cm2, dalam waktu 3 menit. Komponen separator (bipolar plate) menggunakan bahan grafit, gasket digunakan bahan silicon, kolektor arus digunakan tembaga 99% serta cashing/endplate dengan SUS. Stacking PEM tersebut akan melalui uji kebocoran baik crossover gas atau leak pada komponen, dan kemudian dianalisa kemampuan PEM tersebut pada sistim fuel cell test di BPPT.

Pembuatan prototype portable elektrolisa metanol/etanol yang menggunakan metode drier dan umpan balik produk samping yang berupa CO2 pada tangki bahan bakar, serta komponen elektroniknya akan disempurnakan pada tahun akhir kegiatan ini. Dimana penggabungan PEM stack, drier, tangki bahan bakar, perangkat elektronik serta komponen pengatur lainnya akan diletakkan pada satu kotak portable yang akan dihubungkan dengan 1 kW solar cell yang disediakan oleh PT. Infratech Indonesia. Bahan bakar yang dipakai adalah larutan metanol maupun etanol untuk mendapatkan gas hydrogen lebih besar yang dapat dikontrol dan diatur kandungannya, dan bertekanan tinggi sehingga mudah untuk disimpan. Hidrogen yang dapat disimpan akan sangat berbeda dengan sistim penyimpanan listrik pada baterai, dimana umumnya baterai akan drop jika tidak ada pemakaian secara kontinyu serta discharge baterai tidak diperbolehkan sampai kosong. Kelebihan gas hidrogen yang tersimpan adalah bahwa gas akan bertahan sampai kapan pun serta kapan saja akan digunakan, serta dalam jumlah yang terus-menerus bertambah walau dalam satu tabung penyimpanan.

Gambar 3. Pembuatan elektroliser.

 

Desain elektroliser telah ditentukan dengan mengacu pada konsep elektroliser yang menggunakan tekanan tinggi pada inlet masuk sehingga mendapatkan tekanan yang lebih tinggi pada inlet yang keluar. Prototipe elektrolisa mencakup berbagai komponen yang bisa didapat di lokal dan stack inti elektroliser menggunakan jenis PEM fuel cell, dengan desain yang ditentukan dan diproduksi di lokal.

 

Kesimpulan

Analisa sintesa katalis termodifikasi telah dilaksanakan dengan memodifikasi katalis Pt/C 10%, 20%, 40%. Dari hasil analisa struktur nano-partikel diperoleh hasil bahwa metode ITPIS efektif menghasilkan struktur katalis yang merata dan tidak menumpuk sehingga saat diaplikasikan dalam MEA untuk fuel cell Platina akan semakin reaktif dan bereaksi secara optimum karena tidak tertutup oleh polimer. Selain itu telah dilakukan desain dan dibuat prototipe elektroliser tersebut. Dengan menggunakan peralatan penampung metanol, pengering yang berupa molekular sieve dan zeolite, berbagai ukuran valve dan sebagainya seperti dijelaskan dalam laporan ini. Prototipe yang dihasilkan akan menempelkan single fuel cell stack yang kemudian akan dihasilkan hidrogen.

 

Daftar Pustaka

[1]   Genova, D.P., Baradie, B., Journal of Membrane Science, 185, 2001, 59-71.

[2]   Eniya Listiani Dewi, Dani Endar Purwanto, Dora Olivia, Rochmadi, Prosiding Simposium Nasional Polimer V, ISSN 1410-8720, pp. 71-74, 2005, Bandung.

[3]   Sri Handayani, Widodo Wahyu Purwanto, Eniya Listiani Dewi, Roekmijati W. S., Prosiding Simposium Nasional Polimer VI HPI, ISSN 1410-8720, Serpong, 2006, pp. 105-110.

[4]   Manea, C. and Mulder, M., Journal of Membrane Science (206), 2002, pp.443-453.

[5]   Lufrano, F., G. Squadrito, A. Patti and E.Passalacqua, J. Appl. Polym. Sci., 77, 12501257 (2000).

[6]   Eniya L Dewi, Proceedings Asia Nanotech Camp Program 2008, P 25, 2008, TIT, Japan.

[7]   Eniya L. Dewi and Sri Handayani, "Fabrication and Characterization of Sulfonated ABS-SiO2 Composite Membrane for Solid Electrolyte Fuel Cell", International Symposium of Chemical, 30-31 Oktber 208, Universitas Pajajaran Bandung.

[8]   Eniya Listiani Dewi and Sri Handayani, International Symposium Indonesia-Japan, "Modified Sulfonated Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Membrane for Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell", 1 November 2008, JCC Kemayoran Jakarta.

[9]   Eniya L. Dewi and Sri Handayani,"Karakterisasi Komposit Hidrokaron Polimer Tersulfonasi (sABS-Z) Sebagai Alternatif Polielektrolit Untuk Fuel Cell", Jurnal Sains dan Material Indonesia, Oktober 2008.

[10]      Arimura, T., Ostrovskii, D., Okada, T., Xie, D. 1999. Solid State Ionic, 118; 1-10.

[11]      Eniya, L. D., Rohmadi, Jurnal Sains Materi Indonesia, 8, 3, 2007, 198-204.

[12]      Chena, C. Y., Garnica-Rodriguez, J. I., Duke, M. C., Dalla Costa, R. F., Dicks, A. L., Diniz da Costa, J. C., Journal of Power Sources 166, 2007, 324330.

[13]      Domitrova, P., K. A. Friedrich, U. Stimming, B. Vogt., Solid State Ionic, 150, 2002, 115-122.

[14]      Arico, A.S., V. Baglio, A. Di Blasi, P. Creti, Antonucci, Solid State Ionic, 2003, 251-265.

[15]      Eniya L Dewi, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, vol.2, no.1, 2009, pp. 27-31.

[16]      Eniya L Dewi, Proceedings Asia Nanotech Camp Program 2008, P 25, 13 February 2008, Tokyo Institute of Technology, Japan.