Membran Fuel Cell daTi Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)

MEMBRAN FUEL CELL DARI POLISTIRENTERSULFONASI

Sri Pujiastuti, Sunit Hendrana dan IndriyatiPusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI

JI. Cisitu 211154D, Sangkuriang, Komplek LIPI, Bandung

ABSTRAK

MEMBRAN FUEL CELL DARI POLlSTlREN TERSULFONASI. Telah dilakukan pembuatan membrandari hasil sulfonasi Recrystalized Polystyrene Bimodal, PSBMr, dengan teknik hot press. Membran polistirenatersulfonasi (s-PSBMr) ada yang dibuat s-PSBMr saja dan ada yang dengan variasi campuran s-PSBMr dan HIPSrdengan kondisi hot pres: suhu 80°C, tekanan 50 kgf/cm2 selama 10detik diteruskan pada tekanan 90 kgf/cm2 selama10 detik. Karakterisasi membran yang diperoleh meliputi konduktivitas elektrik dengan menggunakan GeneralRadio 1650B Impendance Bridge, uji tensile dengan menggunakan Tensile Tester, dan penyerapan uap air. Hasilkarakterisasi beberapa membran telah ada yang mendekati nilai karakterisasi yang dimiliki oleh membran Nation,membran pembanding untuk Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), terdapat pada membran hasilcampuran an tara s-PS dan PS.

Kala ktlllci : Po/istiren tersulfonasi. men/bran fuel cell

ABSTRACT

FUEL CELL MEMBRANE FROM SULFONATED POLYSTYRENE. Membrane/Tom heterogeneous\sulfonaiion of Recrystalized P~lystyrene Bimodal, PSBMr, has been made using hot press.technic. ~s made/Tom s-PSBMr only and with variation of blending s-PSBM and HIPS. It pressed at 80°C, 50 kgf/cm2 in ten secondsand 90 kgf/cm2 in ten seconds. Characterizations of membrane have been obtained /Tom General Radio 16500.Impedance Bridge for its electric conductivity, Tensile Tester for its tensile strength, and its waater vapor absorption.Some resulst almost similar to characterization of Nation membrane as a commercial membrane for PEMFC like its

electric conductivity and elastic modulus. These can be found at blending s-PS and PS membranes."Key words: Sulfonated Polystyrene, Fuel cell membrane

PENDAHULUAN

Membran polimer merupakan jantung dari

sel bahan bakar karena disini terjadi reaksielektrokimia untuk menghasilkan tenaga listrik.

Saat ini Nafion® merupakan membran polimer

utama untuk sel bahan bakar dari polimer.Membran ini harganya sangat mahal.

Kemampuan pembuatan membrnn polimer

berbasis polistiren (PS) akan memberikanalternatif membran selain Nafion®,

Proses sulfonation heterogen yang

telah dikembangkan di PPF - LIPI telah

menunjukkan :derajat sulfonasi yang telah tinggi.sulfonasi yang dipilih dapat rnenaikkankonduktivitas elektrik dari orde 10-8 (PS)

menjadi 10-5 S/cm

konduktivitas elektrik lapisan tipis sebanding

dengan derajat sulfonasiTujuan penelitian ini adalah penguasaan

teknologi pembuatan membran s-PS untukdapat memenuhi karakteristik mekanik sepertiNation (meliputi evaluasi antara karakteristik

sulfonasi dengan ~ifat mekanik maupunelektrokimia).

METODEPERCOBAAN

Bahan

Bahan yang digunakan meliputi HighImpact Polystyrene (HIPS), Polystyrene Bimodal

(PSBM), Asam Sulfat berasap 60 % SO) dan

Gas N2

235

Peralatan yang digunakan bel1lpa reaktor 1jenis s-PS (~-PSBMr), ;edangkan membransulfonasi, Cryogenic Crusher (kapasitas kelompok kedua merupakan earn pur an± 1 gram), Ho,-Pre..ss_(Go.l1f1{}~Pressure...G..E!!..g!!.....antara s-PS dan PS (s-PSBMr dan HIPSr). Salah

02326), {Sp;k-trofotometer Inframerah )satu eontoh kondisi hot press pembuatan(FTIR-43octstnmadzy), Ther111..ogrG\!imetri~ membran (eampuran an tara s-PSBMr danAnalysis (TG/DTA200, SEIKO), Tensile Tester HIPSr) ada pada T?bel I.clanGeneral Radio 1650B Impendance Bridge.

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

Sulfonasi Polistiren

Proses sulfonasi dilakukan seeara

heterogen. Oilakukan dengan mengalirkan gas

SO) pada serbuk bahan (PSBMr) dalam suatureaktor sulfonasi dengaa bantuan gas pembawa

N2 (pada suhu kamar). Hasiinya dinamakans-PSBMr.

Karakterisasi HasH Sulfonasi

IdentifIkasiclanpenentuan derajat sulfonasihasil sulfonasi diketahui dari spekfruminframerah yang diperoleh dari speRtrofotometerFTIR-4300, buatan Shimadzu. Prep.;asrsampeldengan menggunakan teknik pelet KBr.• IdentifIkasihasil sulfonasi dilakukan dengan

earnmembandingkanspektrum hasil sulfonasidan spektrum bahan dasar.

• Oerajat sulfonasi dihitung denganmenggunakanrumus :

= (Abspada 1180cm-'/Abspada 1452.3cm-')s - PS x 100%(Abspada 1180cm-'/Abspada 1452.3cm -I) PS

KeteranganPW1cakpada 1180em'\ : gugus fungsi-S03Puneak pada 1452,3 em'l : gugusfungsi-CH2'

~fat termalhasiisulfonasi terhadap fungsiwaktu dilakukan dengan menggunakan

Th~mogravimetric Analysis (TG/OTA 200,SEIKD):-Sifat termal hasil sulfonasi (suhudekomposisi = Td) dipelajari dengan earadibandingkan dengan sifat tennal bahan dasar.

Pembuatan Membran

Metode pembuatan membran dilakukandengan teknik hot press (Hot Press GonnoPressure Gauge 02326). Pembuatanmembran dilakukan dalam 2 kelompok.Membran kelompok pertama terdiri dari

236

ISSN 1410-8720

Tabell. Kondisi hot press campuran antara s-PSBMrdan HIPSr

IK,""" Ho>p~" ('C),No

Jenis SampclP(kgf/cm2), t(s)

Nama Sampel

1

s-PSBMr: HIPSr T=80. P=50(t=10),NY 1:1 (80)I : I (bib)

P=90(t=IO)

2

s-PSBMr: HIPSr IdemNY 1:3 (80)I : 3 (bib)

3

s-PSBMr: HIPSr I : IdemY 13 (80)3 (bib)

(vakum 6 jam)

4

s-PSBMr: HIPSr I : IdemNY 1:5 (80)5 (bib)

5

s·PSBMr: HIPSr I : IdemY 1:5 (80)5 (bib)

(vakum 6 jam)

6

s-PSBMr: HIPSr 3 : idemNY 3: 1 (80)I (bib)

7

s-rSBMr : HIPSr 5 : idemNY 5: 1 (80)1 (bib)

8

s-PSBMr: HIPSr I :T=120. P=50(t=1O),NY 1:3 (120)3 (bib)

P=90(t=10)

9

s-PSBMr : HIPSr I : IdemY 1:3 (120)3 (bib)

(vakum 6 jam)

10

s-PSBMr : HIPSr I : IdemNY 1:5 (120)5 (bib)

II

s-PSBMr : HIPSr I : IdemY 1:5 (120)5 (bib)

(vakum 6 jam)

Keterangan : T = temperatur, P = tekanan, t = waktu

Karakterisasi membran

Karakterisasi membran meliputi :Konduktiyitas elektronik

Pengukuran konduktiyitas elektronik lapisantipis dilakukan dengan General Radio 1650B

Impendance Bridge.- -.,Uji tensile (Tensile Tester),

'Penyerapanuap air (Wate(vapor absorption).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakterisasi HasH Sulfonaasi

Oari spektrum FTIR tampak bahwasulfonasi telah terjadi pada s-PSBMr(Gambar 1 dan Gambar 2) yang ditunjukkandengan adanya :

Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)

Gugus sulfonat (-S03-) : 1010 em-' dan1180 em-I

- Cinein aromatik tersubstitusi (gugus

sulfonat yang terikat pada einein aromatik) :850 em-I sampai dengan 840 em-I.

•.• II _ •.,.u.il!

-.. ~, IDCIC, "OU .-00 '?till__ "" __ ••. _ ••••• LIfII.1 ••.•••••. -.-.

Gambar J. Spektrum FTIR PSBM

Gambar 2. Spektrum FTIR s-PSBM

]. -n-I ~•!l11I1Irt_ta IIt.

IU

.,. lI.f.u

.11-

-II511

a

DI-

'IC

Dari analisa termal (Gambar 5) diperoleh hasilsebagai berikut :- Kestabilan termal s-HIPSe lebih baik dari

pada HIPSe (Td s-HIPSe = 425,8 °C danTd HIPSe = 415,6 °C)

- Kestabilan termal s-PSBMe lebih rendah dari

pada HIPSe (Td s-HIPSe = 388,3 °C danTd HIPSe = 396,9 °C)

Karakterisasi Membran

Konduktivitas Elektrik

- Konduktivitas elektrik membran yang terbuat

dari 1 jenis s-PS (s-HIPS atau s-PSBM)nilainya sangat kecil bila dibandingkan denganNafion (tidak ditampilkan)

- Konduktivitas elektrik membran (eampurans-PSBMr dan HIPSr)

Konduktivitas Elektrik Nafion adalah 10-5 S/em.

• III ur K"1I11III~B .ad.,.,IIII.1d b

Gambar 3. Termogram TG/DTA (a) PSBM dan(b)s-PSBM

Dari data konduktivitas elektrik membran yangterbuat dari eampuran s-PSBMr dan HIPSr

tampak bahwa : (lihat Tabel2)- Nilai konduktivitas elektrik akan menurun bila

perbandingan masa s-PSBMr terhadapHIPSr berkurang.

- Seeara visual, pembuatan membran denganperbandingan s-PSBMr terhadap HIPSr lebih

besar akan menghasilkan membran yang lunakdan basah.

- Kondisi optimal perbandingan s-PSBMr clan

HIPSr untuk konduktivitas e1ektrik, diperoleh

237

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

pada 1: 3 dan 1: 5 baik vakum maupun nonvakum.

Tabel 2. Kondoktivitas elektrik berbasis lapis daris-PSBMr dan HIPSr.

Sampel

Konduktivitas Elektrik

(S/cm)NV 5: I (80)

5.967 x 10-3

NV 3:1 (80)

1.536 x 10-3

NV I: I (80)

4.147 x 10-4

NV 1:3 (80)

9.530 x 10-5

NV 1:5 (80)

6.79 x 10-4

V 1:3 (80)

1.691 x 10-4

V 1:5 (80)

1.885 x 10-4

NV 1:5(120)

2,8 x 10-4

Tensile Strength

Hasil pengukuran Tensile Strength ditunjukkanpada Tabel 3.- Membran yang terbuat dari I jenis s-P~

(s-PSBM) sangat rapuh sehingga tidak dapatdiukur Tensile Strength-nya.Membran yang terbuat dari 1 jenis s-PS(s-HIPS)memiliki nilai TensileStrength (tidakditampiIkan karena konduktivitas eIektriknyakecil biladibandingkan Nation)Tensile Strength membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagaiberikut :

Tabel 3. Tensile strength berbasis komposisi daris-PSBMrdan HIPSr.

Sampcl

Tensile Strength

(MPa)NV 1:3 (80)

1.2715

NV 1:5 (80)

2.017

V

1:3 (80) 1.8413

V

1:5 (80) 2.7977

NV 1:3 (120)

5.3302

NV 1:5(120)

6.9371

V

1:3 (120) 3.7962

V 1:5 (120)

5.3134

238

ISSN 1410-8720

Sebagai perbandingan, Nation mempunyaiTensile Strength 43 Mpa (in machinedirection) dan 32 Mpa (in transversedirection) yang diukur menggunakanASTMD 882.

Membran yang diperoleh dengan hot presspada suhu 120 oC mempunyai nilai Tensilestrength lebih tinggi dari pada yangdihasiIkanpada suhu 80 oC, namun demikianhal initidakmempengaruhi nilaikonduktivitaseIektriknya.Akan tetapi bila dibandingkan dengan nilaiTensileStrength-nya Nation masihjauh lebihrendall.

Modulus Elastisitas

- Membran yang terbuat dari I jenis s-PS(s-PSBM) tidak mempunyai nilai moduluselastisitas (tidak ditampilkan karenakonduktivitas elektriknya kecil biladibandingkan Nation).

- Modulus elastisitas membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) adalah sebagaibcrikut :

Tabel4. Modulus clastisitas membran (campurans-PSBMr dan HIPSr)

Sampel

Elastic Modulus

(MPa)NV 1:3 (80)

255.261

NV 1:5 (80)

428.330

V

1:3 (80) 392.360

V

1:5 (80) 556.690

NV 1:3 (120)

557.606

NV 1:5 (120)

659.064

V 1:3(120)

559.950

V 1:5 (120)

680.200

Ada salah satu membran (campurans-PSBMr dan HIPSr) yang mempunyainilai modulus elastisitas yang mendekatiNafion (249 MPa) untuk membranNV 1:3 (80) (membran dengan

perbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3tanpa vakum dengan hot press padasuhu 80°C).

Membran Fuel Cell dari Polistirena Tersulfonasi (Sri Pujiastuti)

Water Vapor Absorption

- Penyerapan uap air sangat tergantung padakomposisi

- Penyerapan uap air yang relatif kecilditunjukkan oleh membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3yang dihot press pada suhu 80°C (baik vakummaupun tanpa vakum) dan membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yangdi hot press pada suhu 80°C (baik vakummaupun tanpa vakum)

Water Vapor Absorption

90

:-+-tW 1:3(80)

__ tW 1:5 (80)

tW 3:1 (80)

, tW51(80)

__ v 1:3(80)

I-+-V 1:5(80)

~ tW 1:1 (80) I

10 15 20 25

Waklu Oam)

Gombar 4. Penyerapan air

KESIMPULAN

1. Proses sulfonasi yang dilakukan telahmampu menaikkan nilai konduktivitaselektrik sebanding (>= 10-5 Scm-1) dengannilai yang dimiliki oleh Nation. Kenaikkanteramati pada membran yang terbuat daricampuran s-PSBMr dan HIPSr denganperbandingan I: 3 dan 1: 5 baik vakummaupun non vakum.

2. Sifatmekanik membran mengalami perbaikandari tahun lalu, hanya belum menyamai nilaiyang dimiliki oleh Nation, terutama untuktensile strength. Semen tara moduluselastisitasnya telah ada yang mendekati nilaiNation, terdapat pada membran denganperbandingan sPSBMr : HIPSr = 1:3 tanpavakum dengan hotpress pada suhu 80 derajatcelcius.

3. Membran yang dibuat masih mempunyai nilaiwater absorption yang cukup tinggi. Nilaiwater absorption-nya yang relatif kecilteramatipada membran dengan perbandingan

sPSBMr : HIPSr = 1:3 yang di hotpress padasuhu 80°C (baik vakum maupun tanpavakum) dan membran dengan perbandingan.sPSBMr : HIPSr = 1: 5 yang di hot presspada suhu 80°C (baik vakum maupun tanpavakum).

DAFTAR PUSTAKA

[I]. INAGAKI, Y., KUROMIYA, M.,NOGUCHI, T., WATANABE, H.,Langmuir, 15, (1999) 4171

[2]. EL-HOSINY, F.I., GAD, E.A.M.,J Appl.Polym.Sci., 56, (1995) 153

[3]. KUCERA, F., JANCAR, J., Polym. Eng.Sci., 38, (1998) 783

[4]. KUCERA, F., Homogeneous andHeterogeneous Sulfonation of Polystyrene,PhD Thesis, BRNO Univ of Technology(2001)

[5]. KUCERA, F., JANCAR, J., Chem.Papers, 50, (1996) 224

[6]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S.,INDRIYATI. Gas-Phase Sulfonation of

Polystyrene. Prosiding Simposium Nas.Pohmer IV Jakarta, (2003) 126-130

[7]. MENNOLA, TUOMAS. Design andExperimental Characterization of PolymerElectrolyte Membrane Fuel Cells. Thesis.Helsinki University of Technology.Department of Engineering Physics andMathematics. (2000)

[8]. HENDRANA, S., PUJIASTUTI, S.,INDRIYATI. Pendekatan Baru Sulfonasi

Polistirena Dengan Fasa Gas-Padai.Prosiding Pemaparan Hasi/ Litbang 1PT.Buku 1, (2003) B 119-B 123

239