methanol fuel cell

LABORATORIUM ZAT PADAT/SOLAR ENERGI IFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera UtaraJln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Metanol, molekul alkohol paling sederhana dengan rumus kimia CH3OH memiliki aplikasi yang

sangat luas, yang berhasil diisolasi pertamakan pada tahun 1661 oleh Robert Boyle. Kini,

metanol, pelarut yang biasa digunakan di laboratorium, terutama digunakan untuk spektroskopi

UV/VIS, HPLC, dan LCMS karena cutoff UV rendah.

Para peneliti secara terus menerus mengembangkan teknologi terbaru yang bernama fuel

cell agar lebih efisien, tidak mahal, dan mudah digunakan. Sistem fuel cell banyak mengalami

pengembangan pada jenis elektrolitnya. Adanya perubahan jenis elektrolit juga merekayasa jenis

material dan sistem elektrodanya. Beberapa jenis elektrolit yang telah dikembangkan para

penemu antara lain cairan alkali (alkali fuel cell/AFC), cairan karbonat (molten carbonate fuel

cells/MCFC), asam fosfat (phosphoric acid fuel cells/PAFC), membran pertukaran proton

(proton exchange membrane fuel cells/PEMFC), serta oksida padat (solid oxide fuel

cells/SOFC).

Kebutuhan bahan bakar fuel cell juga bergantung pada jenis elektrolit tersebut, beberapa

membutuhkan gas hidrogen murni. Sehingga dibutuhkan suatu alat yang disebut reformer untuk

memurnikan bahan bakar hidrogen. Sedangkan pada elektrolit yang tidak membutuhkan gas

hidrogen murni, dapat bekerja efisien pada temperatur tinggi. Dan pada beberapa elektrolit cair,

membutuhkan tekanan tertentu untuk mendorong gas hidrogen. Bahan bakar yang biasanya

menggunakan gas hidrogen bertekanan tinggi atau hidrogen cair bagi fuel cell, mulai mengalami

perubahan seiring berkembangnya teknologi reformer. Sehingga tak perlu membawa tabung gas

hidrogen atau hidrogen cair yang mudah meledak serta mahal. Salah satu jenis bahan bakar yang

digunakan adalah metanol yang diubah reformer menjadi gas hidrogen. Pada percobaan ini akan

diketahui lebih lagi mengenai methanol fuel cell.

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui kurva karakteristik metanol fuel cell dan mencatat tegangan

maksimalnya

2. Untuk mengetahui prinsip kerja metanol fuel cell

3. Untuk melihat diagram power curve dari metanol fuel cell

4. Untuk mengetahui aplikasi penggunaan metanol fuel cell



BAB II

LANDASAN TEORI

Penelitian Volta menemukan bahwa kombinasi-kombinasi logam tertentu menghasilkan efek

yang lebih besar dari yang lain, dan dengan menggunakan pengukurannya, ia membuat daftar

dengan urutan keefektifan. Dan ia menemukan bahwa karbon dapat digunakan untuk

menggantikan salah satu logam tersebut.

Walaupun bisa menghasilkan muatan yang cukup besar potensial yang dihasilkan oleh

baterai Volta masih lemah dibandingkan dengan yang dihasilkan oleh mesin friksi terbaik saat

itu. Setelah penemuan baterai listrik volta, para ilmuan akhirnya baterai menghasikan listrik

dengan merubah energi kimia menjadi energi listrik. Saat ini tersedia berbagai macam sel listrik

dan baterai, dari baterai senter sampai baterai penyimpan pada mobil. Baterai yang paling

sederhana tediri dari dua keeping atau batang yang dibuat dari logam yang berbeda yang disebut

elektroda. Elektroda-elektroda dimasukkan pada larutan seperti asam cair, yang disebut

elektrolit. Alat seperti ini umumnya disebut sel listrik, dan beberapa sel digabungkan untuk

membentuk baterai . Reaksi kimia yang terlibat pada sebagian besar sel listrik cukup rumit.

Sel sederhana yang menggunakan asam belerang cair sebagai elektrolit. Salah satu

elktroda dibuat dengan karbon yang lainnya dari seng. Bagian setiap elektroda yang tetap berada

di luar larutan disebut terminal, dan hubungan kawat dengan rangkaian berasal darinya. Asam

mendorong eletroda seng dan cendrung melarutkannya. Tetapi setiap atom seng meninggalkan

dua elektron, sehingga ia memasuki larutan sebagai ion positif. Elektroda seng dengan demikian

mendapatkan muatan negative. Sementara semakin banyak ion seng yang memasuki larutan,

elektrolit selama sesaat dapat bermuatan positif. Karena hal ini, dapat melalui reaksi kimia yang

lainnya, eletron-elektron tertarik lepas dari elektroda karbon. Berarti elektroda karbon menjadi

bermuatan positif. Karena ada muatan yang berlawanan pada kedua elektroda, ada beda potensial

antara kedua terminal. Pada sel yang terminal-terminalnya tidak terhubung, hanya sedik seng

yang terlarut, karena sementara elektroda seng menjadi bertambah negatif, ion seng positif baru

yang dihasilkan akan tertarik kembali ke elektroda. Dengan demikian, beda potensial atau

tegangan tertentu dipertahankan antara kedua terminal. Jika muatan dibiarkanmengalir antara

terminal, katakanlah melalui kawat, maka lebih banyak seng yang terlarut. Setelah beberapa

waktu, satu elektroda atau yang lainnya terpakai habis dan sel menjadi mati.Tegangan yang ada

antaraterminal-terminal baterai bergantung pada bahan elektroda dan kemampuan relatifnya

untuk terlarut atau melepaskan electron. Ketika dua sel lebih dihubungkan sehingga terminal



positif salah satunya terhubung ke terminal negatif berikutnya, dikatakan bahwa sel-sel tersebut

terhubung seri dan tegangannya dijumlahkan. Jika terminal-terminal baterai dihubungkan dengan

jalur penghantar yang kontinu, kitra dapatkan rangkaian listrik,. Lebih tepat lagi, arus listrik pada

kawat didefenisikan sebagai jumlah total muatan yang dilewatinya persatuan waktu pada suatu

titik. Dengan demikian, arus rata-rata I didefenisikan sebagai

I = (2.1)

Di mana Q adalah jumlah muatan yang melewati konduktor pada suatu lokasi selama

jangka waktu .[1]

Tentu kita masih ingat bagaimana evolusi energi listrik terjadi hingga seperti sekarang.

Salah satu tahapnya adalah penggunaan accumulator atau yang biasa kita sebut sebagai accu atau

aki. Alat penghasil listrik ini dulu sering kita jumpai sebagai penghidup televisi. Seorang

berkebangsaan Inggris yang bernama Sir William Robert Grove, manusia pertama pembuat alat

sederhana yang belakangan disebut sebagai fuel cell. Seorang hakim pengadilan, penemu, dan

ahli fisika lahir tanggal 11 juli 1811 di Swansea, South Wales dan meninggal di London pada

tanggal 1 Agustus 1896. Setelah menyelesaikan pendidikan privatnya, Grove masuk Brasenose

College, Oxford hingga mendapatkan gelar B.A. di tahun 1832. Beliau juga belajar hokum pada

Lincoln Inn. Kariernya dalam bidang ilmu pengetahuan dimulai sejak dia membuat voltaic

battery yang dijelaskannya pada pertemuan The British Association for the Advancement of

Science di tahun 1839. Fuel cell yang dibuatnya terdiri atas elektrolit asam, keeping platina serta

tabung gas oksigen dan hidrogen, dan menggunakan prinsip reaksi balik terbentuknya air, di

mana hidrogen dan oksigen akan bereaksi dalam larutan asam dan menghasilkan air dan listrik

dengan arus sebesar 12 ampere dan tegangan 1,8 volt. Sel ini kemudian disebut sebagai Grove`s

Battery atau baterai Grove atau sel Grove.[2]

Metanol atau metil alcohol atau juga disebut alkohol kayu yang struktur kimianya CH3OH

merupakan anggota pertama dari deret homolog allohol jenuh. Proses yang paling tua dan yang

pertama dilakukan untuk memproduksi metanol adalah dengan cara perusakan destilaasi kayu,

untuk menghasilkan ‘alkohol kayu’. Tetapi saat ini pembuatan metanol dilakukan dengan cara

sintetis menggunakan gas alam, gas batu bara, gas air atau gas kotoran pada suhu tinggi dan

tekanan tinggi dalam katalis logam, yang dapat dijelaskan dengan persamaan umum sebagai

berikut:

2H2O+2C →CH4+CO→2CO+4H2→2CH3OH

Sintesa langsung dari karbonmonoksida dan hidrogen yang merupakan produk menengah dari

reaksi di atas dapat juga dilakukan pada suhu dan tekanan tinggi seperti berikut ini:

CO+2H2→CH3OH



Dari titik pembuatan sampai pada titik penjualan hampir semua bensin telah melalui jalan

liku yang panjang, termasuk di dalamnya melalui pipa, tengker, tangki penyimpanann, tangki

pencampur di dalam kilang, depot penyimpanan, mobil tangki dan akhirnya tangki penyimpanan

di bawah tanah pada pompa-pompa bensin. Pada setiap titik pada sistem distribusi besin dapat

saja berhubungan dengan air. Transportasi yang dilakukan pada bensin murni, air bukanlah

masalah besar oleh karena air dengan bensin tidak dapar bercampur. Tetapi air dapat bercampur

dengan alkohol, dengan adanya hidrokarbon tampaknya oksigenat cendrung memperlihatkan

afinitasnya yang lebih besar kepada air daripada kepada hidrokarbon. Jika jaringan distribusinya

terlalu basah, alcohol cendrung untuk dilepaskan oleh electron bebas, dengan membentuk dua

fase oksigenat-diperkaya. Hal ini ditunjukkan dengan produknya menjadi keruh yang akan

menurunkan kualitas bahan bakar tersebut.

Metanol adalah secara tak berhingga dapat bercampur dengan air dan dengan adanya

hidrokarbon yang memiliki toleransi rendah dengan air, maka campuran metanol/hidrokarbon

sangat tak dapat menahan air tanpa terpisah di dalam dua lapisan yang jelas. Alkohol tingkat

tinggi seperti tertiary butanol, isobutanol, dan isopropanol memiliki taleransi air yang tinggi dan

jika ditambkan pada campuran methanol/hidrokarbon, menaikkan toleransi air methanol.

Jika metanol dan pembantu pelarut bersma-sama digunakan di dalam bensin, jumlah air

di dasar tangki akan naik volumenya, oleh karena sebagian dari methanol dipindahkan dari bahan

bakar ke selaput pemisah air. Setelah penumpukan bensin berlangsung secara terus menerus

berturut-turut di dalam tangki jumlah air di dasar tangki akan berkurang volumenya, dan pada

akhirnya (setelah beberapa kali berlangsung lagi, dan bergantung kepada jumlah dan jenis

pembantu pelarut) air menghilang, oleh karena kandungan alcohol cukup tinggi untuk

melarutkan semua air ke dalam bensin. Dan selanjutnya tangki menjadi tetap ‘kering’ tak ada

terjadi pencemaran oleh air.

Penambahan oksigenat di dalam bensin dapat memberikan pengaruh kepada tingkat emisi

gas buang melalui campuran miskinnya. Biasanya pengaruh gas buangnya tidak begitu besar

terhadap pencemaran dan hanya terjadi jika mesin beroperasi tanpa sensor feedback oksigen

untuk mengendalikan campuran bahan bakar/udara.

Hidrokarbon dan karbon monoksida turun kandungannya. Sedangkan kandungan untuk

NO tidak banyak berbeda untuk kendaraan yang disetel campuran diperkaya maupun campuran

miskin. Sedangkan kandungan gas buang aldehida terdapat sedikit kenaikan, kecuali pada etanol.

Kenaikan aldehida pada etanol ii dapat dikoreksi dengan menggunakan katalitik converter three

way pada saluran gas buangnya.

Bahan bakar oksigenat, menurut defenisi, mengandung ikatan kimia dalam aneka jumlah,

bergantung kepada jenis oksigenat dan dosis yang ditambahkan ke dalam bensin. Juga biasanya

oksigenat memiliki nilai kalori yang lebih rendah daripada bahan bakar hidrokarbon secara



keseluruhan. Dengan demikian cukup dipahami bahwa oksigenat memberi pengaruh

menurunkan penghematan bahan bakar oksigenat pada konsumsi bahan bakar untuk beberapa

kendaraan yang menggunakan karburator.[3]

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan Fungsi

1. Sel bahan bakar metanol

Fungsi : sebagai bahan pada percobaan untuk mengubah energi kimia menjadi energi

listrik

2. Botol berisi larutan metanol 1 M

Fungsi : sebagai wadah larutan metanol 1 M

3. Corong (injection nozzle)

Fungsi : sebagai medium pemindahan cairan methanol dari botol ke tanki fuel cell

4. Perlengkapan pengukuran beban / Load Measurement Box

Fungsi : sebagai pelengkap pengukuran beban

5. 4 buah kabel berkait

Fungsi : sebagai penghubung peralatan satu dengan yang lainnya

6. Stoppers tangki

Fungsi : untuk menjaga cairan agar tidak keluar dari tanki fuel cell

7. Kacamata Hitam

Fungsi : sebagai pelindung mata peneliti dari cahaya yang berlebih

8. Sarung tangan

Fungsi : sebagai pelindung tangan peneliti

9. Masker

Fungsi : sebagai pelindung peneliti dari gas CO2 dan gas beracun

10. Gelas Ukur

Fungsi : sebagai wadah penampung dari tanki fuel cell methanol dan mengukur volume

metanol

11. Paper towel

Fungsi : untuk membersihkan methanol pada tanki fuel cell

12. Stopwatch

Fungsi : sebagai alat mengukur waktu untuk melihat hasil arus dan tegangan

13. Metanol



Fungsi : sebagai sampel yang digunakan pada percobaan

3.2 Prosedur Percobaan

1. Diatur peralatan sesuai gambar yang di atas. Diatur scalar rotasi pada perlengkapan

pengukuran beban pada kondisi OPEN

2. Passang nozzle kedalam botol berisi larutan methanol 1M dan isi tangki sel bahan

bakar sampai meluap. Pastikan tidak ada gelembung-gelembung udara tertinggal

didalam tangk dengan cara mengisi tangki penuh sempurna. Kemudian ganti stoppers.

3. Ditunggu sampai 5-10 menit dengan scalar rotary pad posisi OPEN. Kemudian

diamati kenaikan tegangan pada voltmeter. (tegangan off-load) seharusnya mencapai

500mV selama waktu tersebut. Kemudian diubah hambatan menjadi 3 ohm selama 2

menit. Kemudian diamati arus (>40mA) pada ammeter. Ditunggu selama 3 menit

dengan scalar rotari dalama keadaan OPEN sebelum memulai percobaan. Sel bahan

bakar siap digunakan dalam kondisi optimal.

4. Dimulai pada posisi scalar OPEN (tegangan off-load) kemudian diturunkan hambatan

perlahan dengan memutar skar rotary ke kanan. Dicatat tegangan dan arus pada

masing-masing posisi scalar setelah 60 detik. Dimasukkan datan yang dihasilkan

kedalam table pengukuran. Dan terakhir, diambil data.

5. Setelah mencatat data untuk kurva karakteristik, reset skalarrotari pada posisi OPEN>

jika percobaan telah selesai, lepas stopper dari tangki, dan dibersihkan tangki dari

metanol yang tersisa.



4.2 Analisa Data

1. Gambarlah kurva karakteristik Arus / Tegangan (I.V) pada sel bahan bakar!

Jawab :

Tabel:

Hambatan (Ω) Tegangan (V) Arus (A)

200 0,26 0,002

100 0,25 0,00250 0,25 0,00410 0,18 0,017

5 0,16 0,024

3 0,14 0,031

1 0,13 0,036

Lamp Lampe 0 0,049

Motor 0,19 0,014

Kurva:

2. Interpretasikan kurva karakteristik!

Jawab :

Kestabilan hasil data untuk kurva karakteristik pada percobaan dipengaruhi oleh 3 hal,

yaitu seberapa lama unit sel sudah beroperasi sebelum percobaan dilakukan, seberapa



kering kondisi membran/tanki fuel cell sebelum dilakukan percobaan, dan waktu tunggu

setelah unit terisi penuh dengan methanol. Pada kurva ditunjukkan bahwa semakin kecil

tegangan maka arus semakin besar, hal ini dikarenakan pada methanol, sel akan terus

mengirim arus listrik selama pasokan bahan bakar masih ada dan masih cukup. Pada

arus yang sangat kecil atau nol, tegangan sel bahan bakar bernilai 0,5-0,6 V(tegangan

off-load).

3. Masukkan tegangan dan arus motor pada kurva karakteristik I.V!

Jawab :

Tabel:

Tegangan (V) Arus (A)

0,19 0,014

Kurva:

4. Gambar diagram daya/arus (P.I) dan hitung konsumsi daya motor dan masukkan nilai

tersebut ke diagram P.I!

Jawab :

Tabel:

Tegangan (V) Arus (A) Daya(V.I)

0,26 0,002 0.00052

0,25 0,002 0,0005



0,25 0,004 0,001

0,18 0,017 0,00306

0,16 0,024 0,00384

0,14 0,031 0,00434

0,13 0,036 0,00468

0 0,049 0

0,19 0,014 0,00266

Kurva:

Dari diagram PI, titik operasi maksimum motor tidak optimum. Hal ini dikarenakan sel

bahan bakar methanol memberikan daya kurang dari kemampuannya dari daya yang

sebenarnya.



BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Dari percobaan kita dapat mengetahui kurva karakteristiknya yaitu :

Dan tegangan maksimalnya adalah 0,25 Volt

2. Prinsip kerja metanol fuel cell:

a. Metanol (dicairkan dengan air) secara katalitik dioksidasi menjadi CO2 di anoda.

b. Elektron dilepas ke konduktor listrik eksternal. Elektron – elektron tersebut

menggerakkan beban listrik (misalnya : motor listrik aau bulb) dan mengalir ke

katoda.

c. Reaksi yang terjadi juga melepas proton (ion hydrogen) yang akan melewati

membran konduksi ion yang memisahkan area anoda dan katoda.

d. Pada katoda, proton bereaksi dengan oksigen dari udara, menyerap elektron dan

membentuk air.

3. Diagram power curve dari methanol fuel cell adalah



4. Aplikasi penggunaan metanol fuel cell:

Pengaplikasian dari metanol fuel cell pada arah otomotif. Mobil Fuel cell atau Fuel Cell

Vehicles FCVs, merupakan kendaraan bermotor dengan mesin penggerak fuel cell.

Sasaran utama pengembangan ini adalah pada penggunaan mesin berteknologi DMFC

(direct methanol fuel cell). Kendaraan bermotor dengan mesin penggerak DMFC ini

disebut Direct Methanol Fuel Cell Vehicles, DMFCVs.

5.2 Saran

1. Sebaiknya praktikan selanjutnya lebih teliti dalam menuang larutan methanol

2. Sebaiknya praktikan selanjutnya lebih berhati-hati dalam menggunakan methanol

karena sangat berbahaya bagi tubuh

3. Sebaiknya praktikan selanjutnya lebih teliti dalam memasukkan cairan methanol ke

dalam tanki fuel cell



DAFTAR PUSTAKA

[1] Wartawan,Anton. 1997. Bahan Bakar Bensin Otomotif. Jakarta: Universitas Trisakti.

Halaman: 151-163

[2] https://wanibesak.files.wordpress.com

Tanggal Akses: 6 November 2014

Pukul: 20.00 WIB

[3] Giancoli,Douglas. 1998. Fisika. Jilid II. Edisi kelima. Jakarta:Erlangga.

Halaman: 62-65

https://wanibesak.files.wordpress.com/



Medan, 7 November 2014

Asisten, Praktikan,

(Emidola E Pinem) (Marta Masniary Nainggolan)

methanol fuel cell

Documents