ASPEK KIMIA, HIDROGEN FUEL

CELL, DAN PENERAPANNYA

NAMA : MUHAMAD GHADAFI

KELAS : KIMIA A 2011

NIM : 113234019

PENGENALAN ILMU KIMIA

Apa Itu Ilmu Kimia?

• Materi ada disekeliling kita. Perhatikan salah satu contoh

kegiatan berikut:

Metabolisme tubuh

Kendaraan:Gabungan logam

Dan polimer

Udara adalah materi

Pakaian terbuat dari bahan serat sintesis (polimer)

IlmuKimia

Segala sesuatutentang materi danperubahan materi

inilah yang dipelajaridalam ilmu kimia.

Bahwa ilmu kimia adadisekeliling kita dan

mempengaruhi seluruhaspek kehidupan kitamenjadi alasan betapa

pentingnya mempelajari ilmukimia; betapa ilmu kimiamembuat materi disekitarkita menjadi lebih berguna

Ilmu kimia adalah ilmupengetahuan alam yang

mempelajari tentang materiyang meliputi struktur,

susunan, sifat, danperubahan materi serta

energi yang menyertainya

Materi Dalam Alam

Diperbaharui

Tidak Bisa Diperbaharui

Materi Dalam Alam

• Materi yang tidak dapat diperbaharui seperti minyakbumi dan aluminium, akan segera habis jika diambilterus menerus. Ilmu kimia berperan untuk mencarupenggantinya, seperti penggunaan gasohol dan selbahan bakar sebagai pengganti minyak bumi

• Untuk materi yang dapat diperbaharui diperlukanupaya yang melibatkan ilmu kimia untuk terusmenerus memperbaruinya. Contoh penggunaan pupukpada tanaman untuk meningkatkan produksi pangan.

Mineral merupakanmateri yang tidak dapat

diperbaharui

Tanaman dan udara merupakansalah dua

materi yang dapatdiperbaharui

• Pemanfaatan materi yang melibatkan ilmu kimia tidak lepas daritimbulnya dampak negatif terhadap manusia dan lingkungannya. Hal ini disebabkan kurangnya pemahaman terhadap materitersebut.

Polusi Kendaraan

Limbah Polimer Plastik

Gas Freon

• Dampak negatif tersebut dapat ditekan dengan pemahaman ilmu kimia yang baik, membuat materi ramah

lingkungan, dan memantau aktivitas manusia terhadap

lingkungan

Etanol dari fermentasi tetes tebu digunakan

sebagai gasohol (pengganti minyak bumi)

Kendaraan dengan sel bahan bakar (fuel cell)

menghasilkan produk buang tanpa air

FUEL CELL HIDROGEN

HIDROGEN

• Hidrogen (H): 75% massa alam semesta adalahhidrogen.

• Kerapatan energi per massa: 143 MJ/kg (gas alam: 53,6 MJ/kg).

• Kerapatan energi per volum: 10,1 MJ/L(l); 0,01079 MJ/L (g) (LNG: 22,2 MJ/L).

• Energi yang bersih:

o H2 + O2 H2O

• Berbagai metoda produksi/konversi

PRODUKSI HIDROGEN

• Steam reforming

CH4 + H2O CO + 3H2 (700–1100 oC)

• Oksidasi parsial

CnHm + n/2O2 nCO + m/2H2

• Elektrolisis

2H2O(aq) 2H2(g) + O2(g)

• Fotoelektrolisis

Penggunaan fotokatalis untuk memisahkanhidrogen dan oksigen dari molekul air

ALAT KONVERSI ENERGI HIDROGEN:

SEL BAHAN BAKAR

Hidrogendari tangki

Oksigendari udara

Katalis Katalis

Sirkuit listrik

Membranpenukar proton

Reaksi pada anoda: 2H2 4H+ + 4e-

Reaksi pada katoda:O2 + 4H+ + 4e- 2H2O

Reaksi keseluruhan: 2H2 + O2 2H2O

• Daya rendahoAlat elektronikoDirect Methanol Fuel Cell

• Daya menengahoKendaraano Proton Exchange Membrane

• Daya tinggio Pembangkit listriko Solid Oxide Fuel Cell

APLIKASI ENERGI LISTRIK

• Produksi hidrogen (Teknik Kimia, Kimia)

• Penyimpanan hidrogen (Kimia)

• Alat konversi energi listrik dari hidrogen(sel bahan bakar) (Kimia, Fisika)

• Kontrol dan manajemen daya terintegrasi(STEI, Teknik Fisika)

RISET-RISET PENTING BERKAITAN

DENGAN BAHAN BAKAR HIDROGEN

Tujuan: untuk menghasilkan H2 dari metanol melalui steam

reforming pada kondisi menengah.

CH3OH(g) + H2O(g) CO2(g) + 3H2(g)

Penelitian untuk menghasilkan H2 (Katalis)

Cat.

Katalis: berbasis tembaga

Cu/MxOy/Al2O3

suport

Promoter, Zn

Logam aktif

Bagaimana mencapainya?

Mencari oksida logam yang terbaik sebagai promotor,

mencari komposisi optimal dan cara terbaik untuk

menyiapkan katalis.

Material untuk menyimpan H2

Metal-kompleks

Kuasikrista

Material karbon

Utamanya Nanocarbon

RISET SEL BAHAN BAKARMembran PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) &

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

• Tujuan

Menemukan jenis material membran yang memenuhipersyaratan sebagai membran sel bahan bakar

• Penelitian pada jenis-jenis material Polimer alam (kitosan) Polimer semisintetik (nata-de- coco) Polimer sintetik ( polisulfon, polistiren)

• Masalah

• Konduktivitas rendah

• Methanol cross over yang tinggi

• Penelitian selanjutnya

• Fabrikasi MEA (Membrane Electrolyte Assembly)

• Karakterisasi kinerja

Solid Oxide Fuel Cell

• Tujuan

Membuat SOFC dengan efisiensi tinggi dan biayamurah

• Hasil saat ini:

Ditemukan material komposit Ca-YSZ/LSGM yang memiliki efisiensi produksi energi yang tinggidibandingkan dengan material konvensional

Telah dibuat sistem uji sel bahan bakar padatan.

• Penelitian selanjutnya

Pembuatan sel bahan bakar dalam ukuran besar

Pembuatan sistem “stack”

Pembuatan prototipe (1 kW)

Kontrol Aliran Daya pada Sistem

Energi Hibrida

• Tujuan : mengembangkan sistem kontrol untuk mengatur aliran daya pada sistem energi hibrid yang tdd : o Fuel cello Batteryo Supercapacitor

• Memanfaatkan karakteristik masing-masing sumber energi

• Merancang DC/DC converter• Aplikasi : kendaraan hibrida, sistem energi

hibrida untuk berbagai keperluan

Susunan Sel

Bahan Bakar

Hidrogen

DC/DC

ConvertersInverter

Susunan

Batere

Motor Listrik

P StackP Step-

up

P load

+

-

+

-

P Batt

I StackI Step-up

I Batt

Ultra-Capacitors

Bank

P uC

+ _

+ -

I Uc

APLIKASI

(PENERAPAN)

KlasifikasiBased on types of electrolyte:

• polymer electrolyte membrand fuel cell(PEMFC)

• alkaline fuel cell (AFC)

• phosphoric acid fuel cell (PAFC)

• molten carbonat fuel cell (MCFC)

• solid oxides fuel cell (SOFC)

(PEMFC)

REAKSI

-Anode : H2 2H+ +2e-

E = 0 VSHE (standard hidrogen electrode)

-Cathode: 1/2O2 +2H+ +2e-H2O

E0=1.229 VSHE

Overall reaction: H2 + 1/2O2 H2O

*E0=1.229 VSHE

Aspek ElektrokimiaPerubahan energi bebas standard dari reaksi fuel cell dapat

dituliskan sebagai berikut :

∆Go = –nFE

Didapatkan nilai :

∆G= −229 kJ/mol,

n = 2,

F = 96500 C/g.mole electron,

E = 1.229 V.

Thermodynamic Principles

Penentuan kerja listrik maksimum dalam pengoperasian fuel cell pada suhu dan tekanan konstan memberikan perubahan pada energi bebas Gibbs dengan persamaan :

W = ∆G = –nFE

Kemudian perbedaan antara ∆G dan ∆H

sebanding dengan perubahan entropi ∆S

∆G = ∆H – T∆S

• Pengaruh suhu dan tekanan pada potensial sel (E) :

Dengan

∆V: perubahan volume,

∆S : perubahan entropi,

E : potensial sel,

T : suhu,

P : tekanan gas reaktan,

n : jumlah elektron yang terlibat,

F : Konstanta Faraday

Fuel Cell Efficiency • Efisiensi :

• Efisiensi ideal dari fuel

cell yang dioperasikan secara

reversibel :

• Efisiensi termal idel dari fuel cell yaitu (kondisi ideal):

Keuntungan dan Kerugian

AplikasiPower:

Type 212 submarine with fuel cell propulsion of the German Navy in dry dock

Fuel Cell In the Car

Aplikasi Yang Lain

• Providing power for base stations or cell sites

• Distributed generation

• An uninterrupted power supply (UPS)

• Base load power plants

• Fuel cell APU for Refuse Collection Vehicle

• Hybrid vehicles, pairing the fuel cell with either an ICE or a battery.

• Notebook computers for applications where AC charging may not be readily available.

• Portable charging docks for small electronics (e.g. a belt clip that charges your cell phones or PDA).

• Smartphones, laptops and tablets.

• Small heating appliances.

Kesimpulan• Kelebihan sel bahan bakar :

o Pada suhu tinggi tidak memerlukan katalis kuat

o Dapat digunakan untk pesawat ruang angkasa

o Air yang dihasilkan dapat dikonsumsi

o Efisiensi ≈ 75%

• Kerugian sel bahan bakar :

o Ukuran besar

o Harga mahal

o Membutuhkan asupan O2 dan H2 terus menerus agar dapat beroperasi

o Terdapat Hasil Samping Contohnya CO2

Daftar Rujukan• www.wikipedia.org

• www.fuelcells.org

• www.fuelcellenergy.com

• onlinelibrary.wiley.com