SINTESIS BAHAN BARU HIDROKARBON POLIMER UNTUK …

Sintesis Bahan Baru Hidrokarbon Polimer untuk Membran Elektrolit Padat dalam Direct Methanol Fuel Cell (Eniya Listiana Dewi) SINTESIS BAHAN BARU HIDRO...

0 downloads 0 Views 2MB Size
Daftar isi Sintesis Bahan Baru Hidrokarbon (Eniya Listiana Dewi)

Polimer untuk Membran Elektrolit Padat dalam Direct Methanol Fuel Cell

SINTESIS BAHAN BARU HIDROKARBON POLIMER UNTUK MEMBRAN ELEKTROLIT PAD AT DALAM DIRECT METHANOL FUEL CELL Eniya Listiani DewP, Dani Endar Purwanto2, Dora Olivia2 dan Rochmadi2 JPusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Material (P3TM) - BPPT GdII, Lt. 22, Jl. M H Thamrin 8 Jakarta 10340 2 Laboratorium 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 menggantikan kedudukan Nation sangat diharapkan, disamping untuk menekan biaya produksi juga untuk mengurangi daya hantar molekul terutama metanol yang menerobos membran (methanol crossover) untuk khusus pad a permasalahan dalam 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-akrilamid mempunyai gugus sulfonat yang berfungsi untuk menghantarkan proton (H+) dalam sistemfuel cell. Dalam penelitian ini dijelaskan proses sintesis dan permeabilitas membran yang berubah pada berbagai konsentrasi metanol dan penambahan 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!. Kesimpulan hasil riset ini tidak hanya sebagai terobosan baru teknologi penurunan biaya produksi tetapijuga sangat mendukung penyelesaian problem kontrol air dalam membran untuk mencegah kekeringan dan metanol crossover pada direct methanol 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 methanol fuel cell (DMFC), in order to solve the problem of fuel crossover (methanol crossover) in DMFC and also to reduce the cost production of solid electrolyte. Here we found the synthesis of copolymer membrane using the acrylonitrile and 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid with DMF as a solvent. The copolymer membrane has a sulfonate to transfer a proton (H+) in fuel cell system. In this result we found that permeabEity ofthis copolymer will decrease during the addition of supporting electrolyte in various methanol concentrations. The surface of membranes was analyzed using SEM. These results must be usefully as polymer electrolyte to solve the problem of water control in high 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 elektrokimia yang seeara langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik dan panas selama terdapat bahan bakar (seperti hidrogen, hidrokarbon, alkohol, gas alam) dan oksidator (yaitu oksigen). Fuel cell atau sel tunam sangat dinantikan sebagai pembangkit listrik dalam berbagai aplikasi seperti generator statis, alat transportasi dan berbagai

peralatanelektronik. Sekarang ini pemilihan bahan bakar difokuskan pada bahan bakar eair. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) term asuk didalamnya adalah jenis Polymer Electrolyte Fuel Cell (P EFC) dan Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adala4fuel cell yang bekerja dengan bahan bakar eair (baik hidrogen eair dan metanol) dan gas, yang 71

Prosiding Simposium

Nasional Polimer V

Sintesa 2-acrylamide-2-methyl

ISSN 1410-8720

propane sulfonic acid

Li-t \

H

H

~-I~ H

,H3) m CONHCCH2S03H

I CH3

Poly-acrylonitril acrylamide sulfonic acid

Gambar 1. Skema sintesis

merupakan jenis fuel cell yang paling dinantikan sebagai pembangkit tenaga listrik dalam otomotif dan elektronika. Penelitian pada DMFC sangat gencardigeluti,karena sulm operasionalyang lebih rendah, menggunakan larutan metanol dan air, serta lebihaman dibandingkan dengan PEFC yang berbahan bakar hidrogen. Walaupun demikian, terdapat kendala dalam DMFC yaitu rapat tenaga rendah, efisiensi bahan kabar rendah karena reaksi kinetik yang rendah dan pengaruh daya permeabilitas metanol atau cross over sehingga menyebabkan penurunan kapasitas [1]. Struktur dari PEMFC adalah terdapatnya membran polimer (proton exchange polimer seperti ionomer perjluorinated sulfonic acid, Nafion) yang dijepit
Dalam percobaan ini dicoba pembuatan membran barn jenis hidrokarbon yang nantinya diharapkan mempunyai konduktifitas tinggi sehingga dapat mentransfer proton dengan baik,mempunyai dayapermeabilitas metanolyang rendah, serta metode sintesis yang mudah dan murah. Dengan tujuan untuk menurunkan cross-over maka dico ba pula pengaruh penambahan supporting elektrolit (KCI) dalam larutan metanol.

METODEPER~OBAAN

_

",-

Sintesis 2~f.!.crylamide-2-methylpropane sulfonic acid dapat-dilihat pada Gambar 1. Metode sintesis acrylonitrile denganacrylamide dilakukan dengan cara mencampurkan 2-acrylamide-2-metyl propane sulfonic acid sebanyak 6 gram dengan acrylonitrile sebanyak 23,4 mL ke dalam labu leher tiga dengan sedikit perubahan dari literatur terdahulu seperti dijelaskan berikut [9]. Kemudian ditambahkan 1,2 g ammonium peroxo disulfate pada larutan tersebut. Tahap selanjutnya adalah mereaksikan larutan tersebut dengan pengaduk mekanik pada suhu 70J.lC selama 1 jam untuk mendapatkan larutan kopolimer 1. Langkah berikutnya adalah menambahkan H20 ke dalam larutan dengan pengadukan. Selanjutnya saring larutan dan biarkan endapannya dalam 1 hari. Proses selanjutnya adalah meng-casting larutan tersebut untuk membuat membran thin film. Langkah pertama dengan mencampur endapan dengan H20 dan DMF. Masukkan larutan tersebut ke dalam labu leher tiga lalu aduk selama 2 jam dengan suhu 100J.lC. Setelah itu keringkan dalam oven 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 dalam petridish dapat direndam dalam aquades kemudian membran dikeringkan dalam suhu 60°C sampai berat membran tidak berubah. Hasil casting membran 1 dipotong dan digunakan untuk eksperimen selanjutnya.Analisis spektroskopi menggunakan. Analisis struktur menggunakan Scanning Electron Microscope (SEA!) JEOL 531OLV,diperlihatkan seperti pada Gambar 3 HASIL DAN PEMBAHASAN Morfologi Permukaan Membran

Gambar 3. SEM membran 1. Tabel 1. Persentase membran (%)

penyerapan

Pelarut

larutan 3.2 5.2 10.8 Membran 15.9 8.1 11.5 6.6

dalam 1

0.02 M KCI MCH30H CH30H ++0.02 1310M MM CH30H 0.02 MMKCI KCI CH30H 310 H2O

Seperti pada Gambar 2, permukaan membran sedikit bergelombang. Casting membran yang dilakukan dengan larutan DMF dan air sebagai pelarut membuat suatu bentuk padatan dalam larutan kopolimer.Larutantersebut mudah untuk dicasting dan dikelupas untuk mendapatkan lembaran membran yang ratajika dilihat dengan kasad mata. Ketebalan membran yang didapat antara 100 J.lmhingga 150 J.lm.

dengan adanya penambahan elektrolit pendukung seperti kalium klorida akan banyak mengurangi penyerapan larutan lebih dari 50%. KESIMPULAN

Gambar 2. Prototipe membran 1.

Penyerapan Air Untuk mengetahui daya serap air dalam membran, dicelupkan dalam masing-masing larutan aquades dan metanol dalam berbagai kondisi selama semalam kemudian dikeringkan. Dari Tabell, bisa dilihat hasil timbangan dalam kondisi dry (sebelum dicelupkan) dan wet (setelah dicelupkan dan dikeringkan permukaannya). Penyerapan larutan metanol ke dalam membran seluruhnya memenuhi standar daya serap untuk dipakai dalam manufaktur Membrane Electrode Assembly (MEA) fuel cell yaitu < 30%. Penyerapan larutan metanol dalam membran naik seiringdengan kenaikan konsentrasi metano!.Dan

Untuk menurunkan cross-over metanol cair dari sisi anode ke katode pada stack fuel· cell, salah satunya adalah dengan cara memodifikasi membran atau mengolah larutan bahan bakar sendiri. Untuk penelitian selanjutnya dilakukan modifikasl membran dengan bahan hidropilik. Pada penelitian disini telah dicoba bahwa dengan adanya elektrolit pendukung seperti KCI dan NaCI, yang dapat ditambahkan pada bahan bakar dengan persentase tidak lebih dari 20% maka akan mempengaruhi daya permeabilitas metanol hingga berkurang. Secara total nilai ekonomis dari pembuatan membran tersebut sangat lebih murah dari sintesis polimer yang 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

[3]

[4]

[5]

[6] [7]

[8]

[9]

74

Nasional Polimer V

SANCHEZ, Journal of Membrane Science, 185 (2001) 59-71 ENIYA LISTIANI DEWI, ROHMADI, Reducing Methanol Permeability by Moisture Absorbing Particle on Modified Nafion Membrane, Applied Membrane Science & Technology, (accepted) (2006) ENIYALISTIANI DEW!, Polimer elektrolit Membran Dalam Teknologi Fuel Cell, Proceeding Kolokium Hasil Litbang 2004 ESL>M(2005) . ENIYA LISTIANI DEWI, The Effect of Moisture Absorbing Particles on Methanol Permeability of Modified Nation Membrane in Fuel Cells, Proceeding 3rd Regional Symposium on Membrane Science and Technology (2005) C. MANEA, M. MULDER, L>esalination, 147, (2002) 179-182 J. KERRESA_, W. ZHANGA, L. JORISSENB, V. GOGELB, Journal of New Materials for Electrochemical Systems 5, (2002) 97-107 R. MOHRA, V. KUDELAB, J. SCHAUERB, K. RICHAUA, L>esalination, 147, (2002) 191-196 T. ARIMURA, D. OSTROVSKII, T. OKADA, G. XIE, The Effect of Additive on the Ionic Conductivity Performance of Perfluoroalkyl Sulfonated Ionomer Membranes, Solid State Ionics, 118, (1999) 1-10

ISSN 1410-8720