EN-12 0047: Eniya Listiani Dewi dkk.

PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN ALKOHOL PEMELEKTROLYSER DENGAN APLIKASI IDEAL-TRIPLE-PHASE

INTERFACIAL STRUCTURE PADA MEA

Eniya Listiani Dewi1, Dewi Kusuma Arti1, Agus Prasetyo N1., Yuwana Pradana1, Kurniawan1, Oka Pradipta A1.

1Pusat Teknologi Material Badan Pengkajian dan Penerapan TeknologiGd 2 Lt 22 Jl. MH. Thamrin 8, Jakarta Pusat 10340

Telepon (021) 3169887

∗e-Mail : eniyalist@yahoo.com

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

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

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

I. PENDAHULUANEnergi alternatif yang telah menjadi suatu kebutuhan

pokok pada perkembangan ekonomi, merupakan halyang harus ditelaah mulai dari proses produksinyahingga penyimpanannya. Proses produksi yang meng-hasilkan pula gas karbondioksida (CO2) telah banyakditinggalkan negara maju. Dalam laporan Tokyo GasCo pada tahun 2009, jika proses produksi minyak bumidianggap 100% mengeluarkan CO2, maka produksigasoline, LPG, CNG dan gas hidrogen berturut-turutadalah 98, 74, 60 dan 44%. Maka dapat terlihat bahwawalaupun gas hidrogen sebagai energi sekunder (harusdiproses dari sumber lain) dalam proses produksinyasudah menekan CO2 demikian signifikan dibanding-kan dengan pengolahan minyak bumi. Melihat haltersebut penggunaan hidrogen sebagai sumber energibaru adalah hal yang mutlak.

Penerapan teknologi energi terbarukan sangat pen-ting untuk mengurangi ketergantungan kita pada ba-han bakar minyak (BBM) dan mengurangi emisi CO2

untuk memperlambat laju pemanasan global. Di masadepan, hidrogen diharapkan banyak diproduksi seba-gai bahan bakar transportasi yang tidak menyumbangpemanasan global. sebagai salah satu energi alternatifyang paling menarik, hydrogen digunakan dalam fuelcell untuk menghasilkan listrik atau langsung di inter-nal pembakaran motor. Fuel cell menghasilkan listrikdan air dari reaksi antara hidrogen dan oksigen. Reaksiini terjadi tanpa pembakaran. Secara khusus, polimerelektrolit sel bahan bakar membran (PEMFCs) telahdikembangkan sebagai alternatif yang menjanjikan un-tuk konversi energi digunakan untuk aplikasi mobiledan stasioner karena kompatibilitas lingkungan merekadan efisiensi energi tinggi.

Salah satu komponen yang paling penting yang men-dukung efisiensi bahan bakar sel adalah elektrokatalis.katalis digunakan untuk mempercepat reaksi hidrogendan oksigen untuk membentuk air karena laju reaksiini sangat lambat pada kondisi normal. Logam mulia,terutama platina (Pt), digunakan untuk electrocatalysts

Prosiding InSINas 2012

0047: Eniya Listiani Dewi dkk. EN-13

GAMBAR 1: Skema elektrokatalis dan skema elektroliser.

karena fuel cell beroperasi pada suhu rendah dan elek-trolitnya berkarakter asam kuat.

Lapisan katalis antara membran ionomer dan sub-strat, merupakan senyawa konduktif. Reaksi elek-trokimia terjadi pada permukaan katalis. Peruba-han energi kimia menjadi energi listrik dalam PEMFCterjadi melalui reaksi elektrokimia langsung. Agenpelindung misalnya larutan Nafion (Nafion solution),bagaimanapun, kadang-kadang menonaktifkan reaksikatalitik atau menghambat difusi reaktan dan produkpada permukaan nanopartikel karena interaksi yangkuat dan kurangnya permeabilitas gas. Hal ini da-pat mengurangi kinerja fuel cell sel hingga 60%. Jadi,diperlukan prosedur tambahan untuk meniadakanagen pelindung sebelum menambahkan nanopartikelke elektrokatalis, sehingga didapatkan aktivitas danhasil yang tinggi.

Untuk itu, yang dilakukan pertama kali adalah mem-peroleh suatu metode baru untuk pembuatan katalis Pt-alloy sebagai tempat terjadinya reaksi. Dalam prosespembuatan elektrokatalis, luas area katalis harus besarsedangkan ukuran partiket harus super kecil (nanopar-tikel). Selama ini untuk katalis pada pembuatan MEA,Pt/C ditambahkan dengan Nafion solution. Hal ini ku-rang efektif karena nafion solution akan menutupi per-mukaan katalis. Metode pembuatan katalis yang akandigunakan pada kegiatan ini adalah metode Polyol.

Selain pembuatan katalis, akan dilakukan pula de-sain sistem prototype produksi gas hidrogen murni de-ngan ideal-PEM (triple phase interfacial structure). De-ngan adanya katalis dan desain sistem prototipe terse-

but maka akan diperoleh teknologi manufaktur singlePEM untuk produksi hidrogen tekanan 14-100 psi.

II. METODOLOGISintesa katalis dilakukan melalui proses metode IT-

PIS, dimana dilakukan coating polymer yaitu Nafionpada serbuk karbon yang didapat dari industri (P.T. In-ternational Chemical Industri ABC Battery) yang biasadigunakan sebagai bahan baku elektroda. Pada kar-bon yang telah dicoating Nafion, ditempelkan garamplatina ( H2PtCl6). Pada penelitian ini telah dilakukankarakterisasi material tersebut dengan analisa strukturnano-patikel menggunakan TEM, SEM dan EDAX un-tuk katalis dengan variasi kandungan 10%, 20% dan40%. Dari hasil analisa struktur nano-partikel diper-oleh hasil bahwa metode ITPIS efektif menghasilkanstruktur katalis yang merata dan tidak menumpuk se-hingga saat diaplikasikan dalam MEA untuk fuel cellPlatina akan semakin reaktif dan bereaksi secara opti-mum karena tidak tertutup oleh polimer.

III. HASIL DAN PEMBAHASANDalam penelitian ini, metode yang digunakan untuk

pembuatan nano katalis adalah metode Polyol. Metodeini diawali dengan pelapisan Nafion solution (Naf-sol) pada carbon black (CB). Hasilnya berupa endapanyang dikeringkan dengan filtrasi menggunakan crussi-ble glass. Selanjutnya Pt sebagai katalis didukung padacarbon black-Nafion. Hasilnya pun berupa endapanyang kemudian dikeringkan dengan filtrasi mengguna-kan crussible glass.

Karakterisasi nanokatalis yang dihasilkan dilakukandengan pengamatan SEM dan TEM untuk mengetahuistruktur morfologi katalis.

Untuk proses produksi katalis dilakukan dengantahapan yang telah didapat dan dioptimalkan prosesproduksinya dan kemudian dilakukan dengan jumlahyang banyak dan kecepatan pembuatan telah dipers-ingkat. Analisa katalis dilakukan dengan mengguna-kan Cyclic Voltammogram (CV) yang mampu mem-bedakan reaktifitas katalis pada kondisi dibawah ni-trogen dan oksigen. Diketahui bahwa reaktifitaskatalis sintesa lebih dari katalis komersial pada kondisidibawah oksigen (O2), didapat kesimpulan bahwa Ptpada permukaan area karbon setelah ditempeli Nafionatau polielektrolit dapat bekerja dengan baik melebihikomersial. Potensial reduksi oksigen Pt rata-rata terli-hat pada 0.798 V vs Pt/AgCl.

Selanjutnya untuk membuat fuel cell, katalis ter-modifikasi dilapiskan dengan metode brushing denganmudah tanpa peralatan khusus pada kertas karbonberserat untuk menghasilkan elektroda. Elektroda danNafion sebagai membrane elektrolit kemudian dihot-press bersama untuk mendapatkan MEA (membrane-electrode-assembly) pada suhu 130 ◦C, tekanan 80

Prosiding InSINas 2012

EN-14 0047: Eniya Listiani Dewi dkk.

GAMBAR 2: Analisa SEM pada AB-Nafion-Pt [1:1] dengan load-ing Pt pada karbon 47% (a) perbesaran ×50000 (skala garis 50nm).

kgf/cm2, dalam waktu 3 menit. Komponen separator(bipolar plate) menggunakan bahan grafit, gasket di-gunakan bahan silicon, kolektor arus digunakan tem-baga 99% serta cashing/endplate dengan SUS. StackingPEM tersebut akan melalui uji kebocoran baik crossovergas atau leak pada komponen, dan kemudian dianalisakemampuan PEM tersebut pada sistim fuel cell test diBPPT.

Pembuatan prototype portable elektrolisametanol/etanol yang menggunakan metode drierdan umpan balik produk samping yang berupa CO2

pada tangki bahan bakar, serta komponen elektron-iknya akan disempurnakan pada tahun akhir kegiatanini. Dimana penggabungan PEM stack, drier, tangkibahan bakar, perangkat elektronik serta komponenpengatur lainnya akan diletakkan pada satu kotakportable yang akan dihubungkan dengan 1 kW solarcell yang disediakan oleh P.T. Infratech Indonesia.Bahan bakar yang dipakai adalah larutan metanolmaupun etanol untuk mendapatkan gas hydrogenlebih besar yang dapat dikontrol dan diatur kan-dungannya, dan bertekanan tinggi sehingga mudahuntuk disimpan. Hidrogen yang dapat disimpan akansangat berbeda dengan sistim penyimpanan listrikpada baterai, dimana umumnya baterai akan drop jika

GAMBAR 3: Pembuatan elektroliser.

tidak ada pemakaian secara kontinyu serta dischargebaterai tidak diperbolehkan sampai kosong. Kelebihangas hidrogen yang tersimpan adalah bahwa gas akanbertahan sampai kapan pun serta kapan saja akandigunakan, serta dalam jumlah yang terus-menerusbertambah walau dalam satu tabung penyimpanan.

Desain elektroliser telah ditentukan dengan men-gacu pada konsep elektroliser yang menggunakantekanan tinggi pada inlet masuk sehingga mendap-atkan tekanan yang lebih tinggi pada inlet yang keluar.Prototipe elektrolisa mencakup berbagai komponenyang bisa didapat di lokal dan stack inti elektrolisermenggunakan jenis PEM fuel cell, dengan desain yangditentukan dan diproduksi di lokal.

IV. KESIMPULANAnalisa sintesa katalis termodifikasi telah dilak-

sanakan dengan memodifikasi katalis Pt/C 10%, 20%,40%. Dari hasil analisa struktur nano-partikel diper-oleh hasil bahwa metode ITPIS efektif menghasilkanstruktur katalis yang merata dan tidak menumpuk se-hingga saat diaplikasikan dalam MEA untuk fuel cellPlatina akan semakin reaktif dan bereaksi secara op-timum karena tidak tertutup oleh polimer. Selain itutelah dilakukan desain dan dibuat prototipe elektrolisertersebut. Dengan menggunakan peralatan penampungmetanol, pengering yang berupa molekular sieve danzeolite, berbagai ukuran valve dan sebagainya sepertidijelaskan dalam laporan ini. Prototipe yang dihasil-kan akan menempelkan single fuel cell stack yang ke-mudian 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

Prosiding InSINas 2012

0047: Eniya Listiani Dewi dkk. EN-15

Polimer V, ISSN 1410-8720, pp. 71-74, 2005, Ban-dung.

[3] Sri Handayani, Widodo Wahyu Purwanto, EniyaListiani Dewi, Roekmijati W. S., Prosiding Simpo-sium Nasional Polimer VI EHPI, ISSN 1410-8720,Serpong, 2006, pp. 105-110.

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

[5] Lufrano, F., G. Squadrito, A. Patti andE.Passalacqua, J. Appl. Polym. Sci., 77, 1250E257(2000).

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

[7] Eniya L. Dewi and Sri Handayani, ”Fabrica-tion and Characterization of Sulfonated ABS-SiO2Composite Membrane for Solid Electrolyte FuelCell”, International Symposium of Chemical, 30-31Oktber 208, Universitas Pajajaran Bandung.

[8] Eniya Listiani Dewi and Sri Handayani, Inter-national Symposium Indonesia-Japan, ”ModifiedSulfonated Acrylonitrile-Butadiene-Styrene Mem-brane for Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell”, 1November 2008, JCC Kemayoran Jakarta.

[9] Eniya L. Dewi and Sri Handayani,”KarakterisasiKomposit Hidrokaron Polimer Tersulfonasi (sABS-Z) Sebagai Alternatif Polielektrolit Untuk FuelCell”, Jurnal Sains dan Material Indonesia, Okto-ber 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 Indone-sia, 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, 324E30.

[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, An-tonucci, 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 CampProgram 2008, P 25, 13 February 2008, Tokyo Insti-tute of Technology, Japan.

Prosiding InSINas 2012