Yogyakarta, 24 November 2007
B ‐ 3
2.2 Metode Eksperimen
2.2.1 Menentukan laju volumetrik hidrogen keluar Laju volumetrik hidrogen keluar diukur dengan cara menggelembungkan air sabun di
dalam buret. Kemudian gelembung sabun diukur waktu yang dibutuhkannya untuk menempuh tinggi buret sebesar 5 cm dengan diameter buret 1 cm. Laju volumetrik hidrogen dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan :
V
H2
= πD
2
H 4.60t
1 v
H2
= V
H2
60 2
dengan: V
H2
= laju volumetrik hidrogen, cm
3
min; v
H2
= laju volumetrik hidrogen, cm
3
s; D = diameter buret, cm; H = tinggi buret, cm, t = waktu, s.
2.2.2 Menentukan banyak Hidrogen bereaksi Jumlah mol hidrogen yang bereaksi dihitung dengan cara menghitung selisih jumlah
hidrogen yang masuk dikurangi dengan jumlah hidrogen yang keluar. Asumsi gas hidrogen adalah gas ideal :
P
H2
. v
H2
= n
H2
. R . T 3
dengan: P
H2
= tekanan gas hidrogen; v
H2
= laju volumetrik hidrogen, cm
3
s; n
H2
= jumlah mol hidrogen, mol; R = tetapan gas ideal, 0,082 cm
3
.atmmol.K; T = suhu mutlak, K. Sehingga jumlah mol hidrogen yang bereaksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
n’
H2
=
out out
out in
in in
T R
v P
T R
v P
. .
. .
−
4 dengan: n’
H2
= jumlah mol hidrogen bereaksi, mols; P
in
= tekanan masuk hidrogen, atm; P
out
= tekanan keluar hidrogen, atm; v
in
= laju volumetrik hidrogen masuk, cm
3
s; v
out
= laju volumetrik hidrogen keluar, cm
3
s; T
in
= suhu mutlak gas hidrogen masuk, K; T
out
= suhu mutlak gas hidrogen keluar, K, R = tetapan gas ideal, 0,082 cm
3
.atmmol.K.
1
2 3
3 4
4 5
5
6 7
8 9
10 11
12
3 3
Keterangan :
1. Tangki Hidrogen
2. Tangki Oksigen
3. Botol pengaman
4. Pressure gauge
5. Flowmeter
6. Fuel cell stack 7 sel
7. Regulator
8. Pemanas mantel
9. Termometer raksa
10. Multimeter
11. Lampu
12. Buret
Gambar 2. Skema peralatan pengujian PEFC.
Yogyakarta, 24 November 2007
B ‐ 4
2.2.3 Menghitung daya listrik yang dihasilkan Pengukuran voltase dan arus dilakukan dengan multimeter. Daya yang dihasilkan oleh fuel
cell dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: P = V . I
5 dengan: P = daya listrik, watt; V = voltase, volt; I = arus listrik, ampere.
2.3 Metode Analisa
Pada penelitian ini digunakan fuel cell jenis PEFC dengan menggunakan 7 buah MEA. MEA adalah suatu gabungan dari PEM Proton Exchange Membran yang berupa elektrolit padat
jenis asam, yaitu Nafion dan lapisan katalis pada elektroda. Elektroda yang dipakai adalah karbon porous carbon electrode dan katalis yang dipakai adalah Pt Platina. Secara umum mekanisme
yang terjadi untuk reaksi pada PEFC adalah seperti pada Gambar 1.
Pada anoda terjadi transfer massa hidrogen dari fasa gas ke permukaan katalis. Sehingga persamaan transfer massa yang digunakan,
2 2
2
S H
H a
m H
p
C C
k r
− =
6 Sedangkan reaksi kesetimbangan antara H
2
dengan H
+
, H
2
.S
↔
2H
+
.S + 2 e
-
7 Persamaan kesetimbangan reaksi yang digunakan,
S H
H
C K
C
.
. =
+
8 Kedua persamaan di atas dapat digabung menjadi transfer massa difusi produk dari katalis ke fasa
gas. Pada PEM proton exchange membrane difusi ion H
+
dari sisi anoda menuju sisi katoda menggunakan persamaan transfer massa,
k H
a H
d pH
C C
k r
+ +
+
− =
9
Pada katoda transfer massa hidrogen dari fasa gas ke permukaan katalis. Sehingga reaksi permukaan adalah,
12O
2
.S + 2H
+
.S + 2 e
-
→
H
2
O.S 10
Maka transfer massa produk dari katalis kembali ke fasa gas, sehingga asumsi yang diambil untuk mekanisme reaksi pada katoda adalah kecepatan transfer massa yang terjadi sangat cepat dan
reaksi yang terjadi adalah orde satu terhadap H
+
. Sehingga persamaan yang digunakan adalah,
k S
H k
k pH
C k
r
+ +
=
11
+
=
pH pH
r r
. 2
2
12 Dari persamaan 6-12 diatas dengan cara subtitusi didapatkan persamaan akhir hubungan antara
laju reaksi overall, koefisien kecepatan transfer massa dan konstanta kesetimbangan di anoda, koefisien difusivitas pada membran dan koefisien kecepatan reaksi di katoda. Persamaan akhir
yang diperoleh :
Yogyakarta, 24 November 2007
B ‐ 5
2 2
2 2
H k
d a
m pH
C k
k k
K K
r ⎥
⎥ ⎦
⎤ ⎢
⎢ ⎣
⎡ +
+ =
13
2 2
.
H o
pH
C k
r =
14 Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa koefisien laju reaksi keseluruhan tergantung pada
penahanan transfer massa k
ma
dan k
d
dan penahanan kecepatan reaksi k
k
. Menurut Johnstone dan Thring Johnstone, Thring, 1957 koefisien laju reaksi overall
adalah sebanding dengan laju volumetrik dipangkatkan suatu indeks, yaitu k
o
≈
V
x
. Bila nilai x mendekati nol maka laju reaksi keseluruhan dikontrol oleh kecepatan reaksinya. Untuk nilai x
antara 0,5-0,8 maka laju reaksi keseluruhan dikontrol oleh kecepatan transfer massanya dan berada pada daerah turbulence dynamic regime. Sedangkan untuk pengaruh suhu bila tiap kenaikan suhu
10
o
C koefisien laju reaksinya naik dua kali atau lebih, maka laju reaksi keseluruhan dikontrol oleh kecepatan reaksi kimianya, bila kenaikan koefisien laju reaksinya kurang dari 1,5 kalinya, maka
laju reaksi keseluruhan dikontrol oleh kecepatan transfer massanya. Dari persamaan Arrhenius, k
o
= A.exp
-ERT
bila nilai energi aktivasinya berorde seribu atau kurang maka laju reaksi keseluruhan lebih dikontrol oleh kecepatan transfer massanya Smith, J.M, Van Ness, H.C., and Abbott, M.M.,
2001.
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Kategori