Fuel Cell Model Car [PDF]

Citation preview

LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 BAB I



PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Seiring perkembangan ilmu dan teknologi yang semakin pesat, kebutuhan akan bahan bakar semakin meningkat, sedangkan cadangan bahan bakar minyak yang ada diperut bumi semakin menipis dan suatu saat nanti akan habis. Oleh karena itu berbagai kemampuan manusia dikerahkan untuk mencari sumber energi baru untuk menggantikan sumber energi dari bahan bakar minyak atau bahan bakar fosil. Suatu sumber energi alternatif yang memiliki keunggulan terbaik ialah “sel bahan bakar oksida padat” atau “solid oxide fuel cells” yang selanjutnya dapat kita sebut saja “fuel cell”. Sel bahan bakar dapat menghasilkan listrik secara terus menerus selama masukan ini dipasok. Sel bahan bakar digunakan untuk daya utama dan cadangan untuk bangunan komersial, industri dan perumahan dan di daerah terpencil atau tidak dapat diakses. Ada banyak jenis sel bahan bakar, tetapi mereka semua terdiri dari anoda, katoda, dan elektrolit yang memungkinkan biaya untuk beralih antara dua sisi dari bahan bakar. Elektron diambil dari anoda ke katoda melalui sebuah sirkuit eksternal yang menghasilkan arus searah. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui prinsip kerja dari fuel cell (sel bahan bakar) dan menginformasikan bahwa adanya sumber energi alternatif yang sekarang dapat digunakan untuk kebutuhan sehari-hari manusia, misalnya sebagai penggerak alat-alat transformasi, mobil, dan kebutuhan energi lainnya. Sel bahan bakar sangat efisien.



1.2 Tujuan Percobaan 1. Untuk mengetahui prinsip kerja dari fuel cell 2. Untuk mengetahui aplikasi dari fuel cell 3. Untuk mengetahui prinsip kerja dari fuel cell.



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 BAB II



DASAR TEORI



Seiring perkembangan ilmu dan teknologi yang semakin pesat, kebutuhan akan bahan bakar semakin meningkat, sedangkan cadangan bahan bakar minyak yang ada diperut bumi semakin menipis dan suatu saat nanti akan habis. Oleh karena itu berbagai kemampuan manusia dikerahkan untuk mencari sumber energi baru untuk menggantikan sumber energi dari bahan bakar minyak atau bahan bakar fosil. Suatu sumber energi alternatif yang memiliki keunggulan terbaik ialah “sel bahan bakar oksida padat” atau “solid oxide fuel cells” yang selanjutnya dapat kita sebut saja “fuel cell”. Keunggulan adalah menggunakan elektroda-elektroda yang tidak mahal dan elektrolit padat. Energi yang dihasilkan adalah energi listrik yang mudah diubah kebentuk energi lain. Dan yang paling menjajikan adalah tidak menimbulkan emisi gas buang yang berbahaya bagi manusia maupun lingkungan alam Sel bahan bakar adalah alat yang mampu memnbangkitkan arus listrik dengan memanfaatkan adanya reaksi kimia. Setiap sel bahan bakar kimia memiliki dua elektroda yaitu positif dan yang lainnya negative, yang lazim disebut anoda dan katoda. Reaksi yang menghasilkan listrik adalah reaksi yang terjadi pada elektroda. Setiap sel bahan bakar juga memiliki elektrolit yang membawa partikel-partikel berlistrik dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Pada setiap sel bahan bakar juga terdapat katalis yang berfungsi mempercepat reaksi pada elektroda. Hidrogen adalah bahan dasar bahan bakar, tapi sel bahan bakar ini juga membutuhkan oksigen. Salah satu daya tari sel bahan bakar ini adalah bahwa sel bahan bakar mampu membangkitkan listrik dengan dampak polusi yang sangat kecil. Hidrogen dan oksigen yang digunakan untuk membangkitkan listrik, akhirnya bereaksi menghasilkan suatu bentuk zat yang aman (tidak merusak), yaitu air.Salah satu hal penting dalam hal ini adalah, sebuah sel bahan bakar mampu membangkitkan listrik searah (DC) dalam jumlah sangat sedikit. Dalam kenyataanya banyak sel bahan bakar disusun menjadi suatu ‘stack’ (susunan/kumpulan sel-sel) untuk menghasilkan energi listrik yang besar. Tujuan dari sel bahan bakar adalah untuk memproduksi aliran listrik yang dapat diarahkan keluar sel untuk melakukan kerja seperti memberi tenaga pada motor listrik atau



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 membuat bola lampu bersinar untuk menerangi kota. Dikarenakan oleh sifat-sifat listrik, aliran kembali ke sel bahan bakar, membentuk suatu aliran/sirkuit berlistrik. Ada beberapa macam sel bahan bakar dan masing-masing bekerjanya sedikit berbeda. Tapi pada prinsip utamanya adalah atom-atom hidrogen memasuki sel bahan bakar melalui anoda, yaitu tempat terjadinya reaksi kimia, mengosongkan electron-elektronnya. Atom-atom gas hidrogen sekarang ‘diionisasi’, dan membawa muatan listrik positif. Muatan negatig elektron meneruskan aliran melalui kabel untuk melakukan fungsinya, kerja atau memberi energi pada peralatan listrik. Jika dibutuhkan aliran listrik bolak-balik (AC), hasil aliran DC dari bahan bakar harus diarahkan melalui alat pengubah yang disebut “inverter”. Gas oksigen ke sel bahan bakar melalui katoda dalam beberapa tipe sel, disana bergabung dengan elektron-elektron yang kembali dari sirkuit listrik dan ion-ion gas hidrogen yang sudah melewati elektrolit dari anoda. Pada jenis-jenis sel yang lain, gas oksigen membawa elektronelektron lalu berjalan memalui elektrolit menuju anoda, yaitu tempat gas tersebut bergabung dengan ion-ion hidrogen. Elektron memainkan peran penting. Elektrolit hanya memperbolehkan ion-ion yang tepat untuk melewati antara anoda dan katoda. Jika elektron-elektron bebas atau zat-zat lain mampu berjalan melalui elektrolit, elektron bebas dan zat lain itu dapat mengacaukan reaksi kimia. Ketika mereka bergabung di anoda atau katoda, bersama-sama hidrogen dan oksigen membentuk air yang berasal dari sel. Selama sel bahan bakar diberi gas hidrogen dan oksigen maka hal tersebut dapat membangkitkan listrik. Adapun jenis-jenis sel bahan bakar adalah sebagai berikut: 1. Sel alkali (Alkali Fuel Cell), Sel bahan bakar alkali bekerja dalam gas hidrogen dan oksigen yang ditekan. Biasanya digunakan potassium hidroksida (KOH) dalam air sebagai elektrolitnya. Efesiensinya sekitar 70%, dan beroperasi pada temperature sekitar (150-200) °C. kisaran hasil keluaran/output antara 300 watt sampai dengan 5 kW. 2. Sel karbonasi mendidih (Molten Carbonate Fuel Cell = MCFC), MCFC menggunakan senyawa garam karbonasi (CO3), bertemperatur tinggi (seperti sadium dan magnesium), sebagai elektrolit efesiensi berkisar antara 60%-80%, dan temperature kerja sekitar 650 °C.unit-unit sel dengan hasil output sampai dengan 2 MW sudah selesai dibangun, selanjutnya didesain untuk kapasitas sampai 100 MW. 3. Sel bahan bakar asam belerang (Phosphoric Acid Fuel Cell = PAFC), PAFC menggunakan phosphoric acid sebagai elektrolit. Efesiensinya berkisar antara 40%-80%, dan temperature berkisar antara (150-200) °C 4. Sel bahan bakar membran bertukar proton (Proton Exchange Membrane = PEM), Efisiensinya berkisar 0-50% dan temperatur operasinya 80◦C. Hasil output sekitar 50-250 kW.



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 5. Sel bahan bakar oksida padat (Solid Oxide Fuel Cells = SOFC), menggunakan keramik keras yang merupakan gabungan dari logam (seperti kalsium/zirconium) dengan oksida (O 2) sebagai elektrolit. Efisiensi sekitar 60% dan temperatur operasi sekitar 1000◦C. Hasil output dapat mencapai 1000 kW.



(Daryanto, 2015)



Sel bahan bakar hidrogen-oksigen memiliki peranan penting dalam menggerakkan kendaraan. Aplikasi lain yang termasuk dalam pengembangan termasuk mobil listrik, pembangkit daya dan pemanas rumah, dan daya puncak untuk keperluan listrik. Seperti yang telah ditunjukkan bahwa alat dengan aliran yang tetap menghasilkan daya listrik melalui pengendalian reaksi kimia. Oksidasi bahan bakar terjadi di anoda, dengan melepaskan elektron ke sirkuit eksternal. Pada katoda pengoksidasi di reduksi, dengan menggunakan elektron. Hasil dari pembakaran dapat muncul di permukaan salah satu atau pada kedua anoda dan katoda, tergantung reaksi yang terjadi. Proses dilengkapi dengan perpindahan ion-ion pada elektrolit. Untuk menjaga temperatur dalam sel konstan, perlu adanya penambahan atau pemindahan panas. Perubahan pada energi kinetik dan potensial pada sel bahan bakar dapat diabaikan. Sebagai tambahan, kerja maksimum yang terjadi saat proses secara internal bersifat reversible. Dalam skala besar bahan bakar pembangkit listrik memiliki perbedaan keuntungan secara konvensional dengan pembangkit listrik tenaga fosil. Sel bahan bakar beroperasi sebagai pengkonversi energi searah, dan tidak sebagai mesin pemanas. Dengan demikian memiliki potensi efisiensi terbaik sebagai pengkonversi energi yang lebih konvensional daripada alat mesin pemanas.



(Wark, 1995)



Hidrogen dapat diproduksi secara berkelanjutan tanpa emisi karbon dioksida dari sistem energi terbarukan. Contoh dari sistem tersebut adalah penggunaan panel surya, turbin angin atau generator mikrohidro untuk mengubah energi sinar matahari menjadi tenaga listrik yang menggerakkan electrolyzer. Electrolyzer memecah air memproduksi gas hidrogen dan oksigen. Hidrogen disimpan untuk digunakan oleh sel bahan bakar dan oksigen dilepaskan ke atmosfer. Jadi ketika matahari bersina, angin bertiup atau air mengalir, electrolyzer dapat menghasilkan hidrogen. Sistem tenaga yang menggabungkan hidrogen dari sumber terbarukan dan sel bahan bakar adalah sistem tertutup, karena tidak ada produk atau reaktan air, hidrogen dan oksigen hilang ke lingkungan luar. Air yang dikonsumsi electrolyzer dikonversi menjadi gas. Gas dikonversi menjadi air. Energi listrik dihasilkan oleh panel surya dipindahkan ke energi kimia dalam bentuk gas. Gas dapat disimpan untuk diubah kembali menjadi listrik. Sel bahan bakar efisien, dapat mengubah hidrogen dan oksigen langsung menjadi listrik dan air tanpa dalam proses pembakaran. Efisiensi yang dihasilkan adalah antara 50-60%, sekitar dua kali lipat dari mesin pembakaran internal.



(Cook, 2001)



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 BAB III



METODOLOGI PERCOBAAN



3.1 Peralatan dan Fungsi 1. Fuel Cell Fungsi : Untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik. 2. Stopper Fungsi : Untuk menutup tabung fuel cell. 3. Model Car Fungsi : Untuk membuktikan perubahan energi listrik dari fuel cell menjadi energi gerak pada mobil. 4. Hand Generator Fungsi : Sebagai sumber daya pada percobaan 5. Load Measurement Box Fungsi : Sebagai kotak pengukuran beban yaitu untuk mengukur tegangan dan arus dari fuel cell dan juga sebagai hambatan. 6. Banana Jack Fungsi : Sebagai penghubung antar peralatan dalam percobaan. 7. Stopwatch Fungsi : Untuk mengukur waktu lamanya konsumsi hidrogen pada fuel cell. 8. Balok kayu Fungsi : Sebagai penyangga model car. 9. Serbet Fungsi : Sebagai alas untuk meletakkan fuel cell dan membersihkan cairan aquades yang tumpah saat diisi kedalam fuel cell



3.2 Bahan dan Fungsi



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155



1. Aquades (Air terdistilasi) Fungsi : Sebagai bahan yang akan menghasilkan hidrogen.



3.3 Prosedur Percobaan 3.3.1. Percobaan menghitung waktu konsumsi hidrogen oleh fuel cell pada model car 1. Disediakan peralatan dan bahan yang akan digunakan dalam percobaan. 2. Diletakkan fuel cell pada posisi terbalik di permukaan datar dan dilepaskan stopper. 3. Dituangkan air terdistilasi pada kedua silinder penyimpanan fuel cell hingga air sejajar dengan tabung kecil ditengah silinder. 4. Disentuh perlahan fuel cell untuk membantu air mengalir menuju area disekitar membran dan plat besi pengumpul arus. 5. Dipasang kembali stopper pada silinder dan dipastikan tidak ada gelembung udara pada silinder tersebut. 6. Diletakkan fuel cell pada posisi semula. 7. Dihubungkan terminal merah banana jack hand generator dengan terminal merah fuel cell dan terminal hitam banana jack hand generator dengan terminal hitam fuel cell 8. Diputar hand generator dengan kecepatan yang konstan (stabil). 9. Diamati volume gas hidrogen pada silinder penyimpanan. 10. Dicatat waktu setiap kali 1 mL gas hidrogen yang telah digunakan sampai 8 mL. 11. Dilepaskan sambungan fuel cell dengan hand generator. 12. Dipasangkan fuel cell pada model car hingga terdengar bunyi klik. 13. Dihubungkan terminal merah banana jack model car dengan terminal merah fuel cell dan terminal hitam banana jack model car dengan terminal hitam fuel cell 14. Diletakkan balok kayu di bawah model car sehingga roda mobil dapat berputar bebas. 15. Dikembalikan peralatan ke tempat semula.



3.3.2. Percobaan menghitung daya yang dapat diberikan fuel cell



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 1. Disediakan peralatan dan bahan yang akan digunakan dalam percobaan. 2. Diletakkan fuel cell pada posisi terbalik di permukaan datar dan dilepaskan stopper. 3. Dituangkan air terdistilasi pada kedua silinder penyimpanan fuel cell hingga air sejajar dengan tabung kecil ditengah silinder. 4. Dihubungkan terminal merah hand generator dengan terminal merah fuel cell dan terminal hitam hand generator ke terminal hitam fuel cell. 5. Diputar hand generator dengan kecepatan konstan. 6. Diamati volume gas hidrogen pada silinder penyimpanan hingga turun sampai volume 8 ml. 7. Dilepas hand generator dari fuel cell. 8. Dihubungkan ammeter dan voltmeter dengan menggunakan banana jack (merah ke merah, hitam ke hitam). 9. Dihubungkan ammeter ke fuel cell dengan banana jack (merah ke merah, hitam ke hitam). 10. Dihidupkan LMB dengan menekan tombol ON. 11. Diputar knock load hingga 1 ohm. 12. Diamati arus yang keluar dan tegangan yang keluar setiap 1 ml. 13. Dicatat hasilnya dan dimatikan LMB. 14. Dibersihkan peralatan dan dikembalikan ke tempat semula.



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155



BAB IV



HASIL DAN ANALISA



4.1 Data Percobaan 4.1.1 Tabel Data Pengukuran Waktu Terhadap Pengukuran Hidrogen (H2) Volume (mL)



Waktu (s)



1



46



2



55



3



80



4



95



5



105



6



114



7



122



8



131



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155



4.2.2 Tabel Data Pengukuran Kuat Arus, Tegangan dan Hambatan Hambatan Ω



Volume (mL)



Arus (A)



Tegangan (V)



Daya (Watt)



1Ω



1



0



0



0



1Ω



2



0,07



0



0



1Ω



3



0,36



0,280



0,1008



1Ω



4



0,41



0,3



0,123



1Ω



5



0,52



0,382



0,198



1Ω



6



0,62



0,445



0,275



1Ω



7



0,64



0,461



0,295



1Ω



8



0,65



0, 476



0,309



Medan, 27 Februari 2019 Asisten



(Fitri Anisah)



Praktikan



(Maria Florentina Rumapea)



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 4.2 Analisa Data 4.2.1 Menghitung daya yang dihasilkan fuel cell P=V×I 



Untuk R = 1 Ω dan Volume = 1 ml P1 = V × I = 0 × 0 = 0 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 2 ml P2 = V × I = 0,07 × 0 = 0 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 3 ml P3 = V × I = 0,36 × 0,280 = 0,1008 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 4 ml P4 = V × I = 0,41 × 0,3 = 0,123 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 5 ml P5 = V × I = 0,52 × 0,382 = 0,19864 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 6 ml P6 = V × I = 0,62 × 0,445 = 0,2759 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 7 ml P7 = V × I = 0,64 × 0,461 = 0,29504 Watt







Untuk R = 1 Ω dan Volume = 8 ml P8 = V × I = 0,65 × 0,476 = 0,3094 Watt



Hambatan Ω



Volume (mL)



Arus (A)



Tegangan (V)



Daya (Watt)



1Ω



1



0



0



0



1Ω



2



0,07



0



0



1Ω



3



0,36



0,280



0,1008



1Ω



4



0,41



0,3



0,123



1Ω



5



0,52



0,382



0,198



1Ω



6



0,62



0,445



0,275



1Ω



7



0,64



0,461



0,295



1Ω



8



0,65



0, 476



0,309



4.2.2. Membuat grafik hubungan Daya dengan Tegangan yang dihasilkan



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155



Daya (Watt)



Tegangan (Volt)



0



0



0



0



0,1008



0,280



0,123



0,3



0,198



0,382



0,275



0,445



0,295



0,461



0,309



0, 476



y 0 , 295−0 ,1008 0,1942 Slope= = = =1,07 x 0,461−0,28 0,181



4.3 Gambar Percobaan 4.3.1 Percobaan menghitung waktu konsumsi hidrogen oleh fuel cell pada model car



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 Balok kayu



Model Car



Fuel Cell



Stopper Banana Jack



Hand Generator



4.3.2 Percobaan menghitung daya yang dapat diberikan fuel cell LMB Fuel Cell Hand Generator



Stopper Banana Jack



DAFTAR PUSTAKA



LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI II Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155



Cook, Brian. 2001. INTRODUCTION TO FUEL CELLS AND HYDROGEN TECHNOLOGY. Kanada: Heliocentris Pages : 24-26 Daryanto. 2015. TEKNIK MOTOR DIESEL. Bandung: Alfabeta Halaman : 66-73 Wark, Kenneth. 1995. ADVANCED THERMODYNAMICS FOR ENGINEERS. Amerika: McGraw Hill Pages : 66-73



Medan, 27 Februari 2019 Asisten,



Praktikan,



(Fitri Anisah)



(Maria Florentina Rumapea)