Laporan Eksperimen Fisika Fuelcell dan
MODUL 4
ENERGI ALTERNATIF : FUEL CELL DAN SEL SURYA
Anandiani Khairunnisa Noviar, Sandy Jaka Adilla, Dhafinta Widya Saraswati, Sarah Zulfa
Khairunnisa, Irfan Abdurrahman
10212002, 10212040, 10212043, 10212045, 10212052
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
email : [email protected]
Asisten : Hannan Prasasta W. / 10211089
Tanggal Praktikum : 22-10-2014
Abstrak
Praktiku
odul Fuel Cell dan Sel Surya bertujua u tuk menentukan jumlah gas yang terbentuk sebagai
fungsi waktu serta menghitung efisiensi pembentukan gas H2 dan O2 dengan menggunakan baterai dan sel
surya. Selain itu, tujuan dari percobaan ini adalah menghitung efisiensi konversi gas H 2 dan O2 menjadi listrik.
Praktikum ini menggunakan fuel cell jenis PEM (Proton Exchange Membrane) dan sel surya. Fuel cell merupakan
susunan lapisan material tingkat lanjut dimana hydrogen dan oksigen dapat bereaksi satu sama lain untuk
menghasilkan listrik dan air tanpa pembuangan. Metode percobaan dilakukan dengan cara mengukur
perubahan tegangan dan arus setiap 20 detik selama waktu menyala baterai yang divariasikan sebanyak 5 kali.
Kemudian menghitung volume gas H2 dan O2 yang terbentuk dan sambungkan dengan fuel cell agar motor
bergerak. Lalu ganti baterai dengan sel surya yang dipapari dengan cahaya lampu untuk percobaan pertama
dan sinar matahari untuk percobaan kedua, data yang dibutuhkan untuk kedua percobaan ini sama dengan
percobaan pertama. Hipotesis pada percobaan ini adalah gas-gas yang terbentuk karena paparan sinar
matahari akan lebih banyak daripada paparan cahaya lampu.
Kata kunci : Efisiensi, Elektrokimia, Elektrolisis, Fuel Cell, Sel Surya, .
I.
Pendahuluan
Tujuan dari praktikum ini adalah untuk
menentukan jumlah gas yang terbentuk
sebagai fungsi waktu serta menghitung
efisiensi pembentukan gas H2 dan O2
dengan menggunakan baterai dan sel
surya. Selain itu, tujuan dari percobaan ini
adalah menghitung efisiensi konversi gas
H2 dan O2 menjadi listrik.
Fuel cell merupakan sebuah alat
elektrokimia yang dapat mengubah energy
kimia menjadi energy listrik. Setiap fuel cell
memiliki dua elektroda yang biasa disebut
katoda dan anoda, dimana setiap reaksi
yang menghasilkan listrik terjadi di kedua
elektroda ini. Fuel cell dapat mengubah
hydrogen dan oksigen menjadi energy
listrik, serta air sebagai produk sisanya[1].
Fuel Cell jenis PEM (Proton Exchange
Membrane) bekerja dengan sebuah
elektrolit polymer yang tipis dan
permeable. Efisiensi dari PEMFC adalah
sekitar 40%-50%. Untuk mempercepat
reaksi, PEMFC menggunakan katalis
platinum pada kedua sisi membrannya[2].
Prinsip kerja PEMFC adalah anoda
(bagian kaki negative fuel cell) mengalirkan
elektron yang dilepas hydrogen sehingga
elektron ini mengalir ke bagian luar
rangkaian. Anoda memiliki channelchannel sehingga dapat menyebarkan
hydrogen secara merata pada permukaan
katalis. Katoda (bagian kaki positif fuel cell)
mengalirkan elektron dari bagian luar
rangkaian masuk ke dalam katoda sehingga
elektron dapat berkombinasi dengan ion
hydrogen dan oksigen dari air. Katoda juga
memiliki channel-channel yang dapat
meratakan oksigen pada permukaan
katalis. Elektrolit merupakan membrane
pertukaran proton yang memblok elektron.
Membrane PEMFC harus dibasahi agar
berfungsi dan stabil[3]. Prinsip kerja PEMFC
dapat dilihat pada gambar 1.
konduksi sehingga timbul aliran listrik.
Bagian yang ditinggalkan elektron disebut
hole. Elektron akan menyebar di bagian n
dan hole menyebar di bagian p, serta
terdapat bandgap energy diantara pita
valensi dan pita konduksi[2].
Gambar 1. Skema Rangkaian Fuel Cell jenis
[3]
PEM (Proton Exchange Membrane)
Gambar 2. Prinsip Kerja Sel Surya
Reaksi Elektrokimia
Reaksi pada anoda : 2H2 4H+ + 4eReaksi pada katoda : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Reaksi total : 2H2 + O2 2H2O
Untuk memperoleh gas hydrogen
sebagai
bahan
bakar
fuel
cell
(menggerakan motor), maka terlebih
dahulu dilakukan proses elektrolisis, yaitu
air diberi sumber listrik agar terbentuk gas
H2 dan O2.
Reaksi Elektrolisis
Reaksi pada anoda : 2H2O O2 + 4H+ + 4eReaksi pada katoda : 4H+ + 4e- 2H2
Reaksi total : 2H2O 2H2 + O2
Sel surya merupakan alat yang dapat
mengkonversi energy cahaya menjadi
energy listrik. Konversi ini didasarkan pada
fenomena efek fotovoltaik. Sinar matahari
terdiri dari foton dengan tingkat energy
yang berbeda tergantung spectrum
warnanya. Secara teori, sel surya dapat
mengkonversi sekitar 30% energy radiasi
matahari menjadi listrik[4]. Prinsip kerjanya
adalah cahaya datang dengan panjang
gelombang tertentu, kemudian mengenai
bahan semikonnduktor. Terjadilah pair
generation atau electron-hole production.
Elektron yang semula berada pada pita
valensi akan tereksitasi menuju pita
[4]
II. Metode Percobaan
Sebelum memulai percoban, praktikan
harus paham penyusunan kit yang akan
digunakan. Setelah kit terpasang, isi kedua
silinder dengan aquadest sampai skala 0.
Percobaan pertama yaitu melakukan
elektrolisis
terlebih
dahulu
untuk
menghasilkan gas O2 dan H2 menggunakan
baterai. Data yang diperlukan adalah
perubahan arus dan tegangan setiap 5
detik untuk nyala baterai selama 60, 90,
120, 150, dan 180 detik dan volume gas H2
dan O2 setelah proses elektrolisis. Setelah
itu, jalankan fuel cell dengan gas H2 yang
terbentuk, serta catat perubahan arus dan
tegangannya tiap 5 detik sampai mobilmobilan berhenti. Kemudian catat lagi
volume gas H2 dan O2 setelah proses
elektrokimia.
Percobaan kedua prinsipnya sama
seperti percobaan pertama, hanya saja
baterai diganti dengan sel surya. Sel surya
ini dipapari cahaya lampu selama 15 menit,
sementara pengamatan dilakukan dengan
mengambil data perubahan arus dan
tegangan tiap 20 detik. Kemudian catat
volume kedua gas setelah elektrolisis dan
jalankan fuel cell, serta ukur perubahan
tegangan dan arus setiap 5 detik sampai
mobil-mobilan berhenti. Setelah itu ukur
volume kedua gas setelah proses
elektrokimia. Kemudian sel surya yang
tadinya
dipapari
cahaya
lampu,
divariasikan dengan dipapar sinar matahari
langsung.
Hipotesis dari percobaan ini adalah gas
yang terbentuk dengan elektrolisis
menggunakan baterai jumlahnya lebih
sedikit karena lama baterai menyala hanya
sebentar. Kemudian, gas yang terbentuk
karena paparan sinar matahari jumlahnya
lebih banyak karena sinar matahari
memiliki intensitas lebih tinggi dari cahaya
lampu dengan waktu pengamatan yang
sama.
III. Data dan Pengolahan Data
Untuk ketiga percobaan (fuel cell
baterai, cahaya matahari, cahaya lampu),
kita akan menggunakan beberapa rumus
berikut :
P = V.I
(1)
E=∫
(2)
n=
ηn =
(3)
(4)
Keterangan :
P = Daya listrik (Watt)
V = Tegangan (Volt)
I = Arus (Ampere)
E = Energi (Joule)
n = jumlah mol
η = efisiensi
3.1 Percobaan Fuel Cell Menggunakan
Baterai
Hasil
pengukuran
perubahan
tegangan dan arus tiap 5 detik selama
baterai menyala ditunjukkan oleh
kelima tabel berikut:
Tabel 1a. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 60 detik
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.298
0.0016 0.0020768
2.616
0.3458 0.9046128
2.6621
0.3161 0.84148981
2.6786
0.3019 0.80866934
2.74
0.2208 0.604992
2.7244
0.2588 0.70507472
2.7001
0.2789 0.75305789
2.7366
0.2496 0.68305536
2.7403
0.2418 0.66260454
2.7336
0.2479 0.67765944
2.7399
0.2398 0.65702802
2.661
0.3
0.7983
2.5858
0.2896 0.74884768
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tabel 1b. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 90 detik
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.38
0.5523 0.762174
2.676
0.3344 0.8948544
2.6476
0.315
0.833994
2.6525
0.3072 0.814848
2.6538
0.3036 0.80569368
2.654
0.3
0.7962
2.69
0.2978 0.801082
2.6554
0.2952 0.78387408
2.6561
0.293 0.7782373
2.657
0.2898 0.7699986
2.6581
0.2877 0.76473537
2.6596
0.284 0.7553264
2.6612
0.282 0.7504584
2.6635
0.2784 0.7415184
2.66
0.2761 0.734426
2.6727
0.2696 0.72055992
2.6713
0.2658 0.71003154
2.6742
0.2644 0.70705848
2.6776
0.2601 0.69644376
Tabel 1c. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 120 detik
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegang
Arus
Daya Listrik
an (V)
(A)
P = V.I
1.047 0.1179 0.1234413
2.6457 0.3007 0.79556199
2.6736 0.2818 0.75342048
2.6821 0.2743 0.73570003
2.6842 0.2696 0.72366032
2.687 0.2666 0.7163542
2.6868 0.2641 0.70958388
2.6785 0.2694 0.7215879
2.6772 0.2672 0.71534784
2.6765 0.2654 0.7103431
2.679 0.2636 0.7061844
2.6808 0.262
0.7023696
2.6825 0.2601 0.69771825
2.6847 0.257
0.6899679
2.687 0.2554 0.6862598
2.6891 0.2526 0.67926666
2.6890 0.2486 0.66849285
2.6904 0.247
0.6645288
2.6956 0.2437 0.65691772
2.6987 0.2415 0.65173605
2.701 0.2399 0.6479699
2.7032 0.2367 0.63984744
2.7056 0.234
0.6331104
2.708 0.2313 0.6263604
2.7076 0.2243 0.60731468
Tabel 1d. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 150 detik
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan
Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.5904 0.4847 0.77086688
2.6449 0.2753 0.72814097
2.6613 0.2612 0.69513156
2.6698 0.2531 0.67572638
2.6742 0.2476 0.66213192
2.677 0.2436 0.6521172
2.6789 0.2416 0.64722224
2.6792 0.2382 0.63818544
2.6794 0.2372 0.63555368
2.6804 0.2354 0.63096616
2.6815 0.2326 0.6237169
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
2.6822
2.6833
2.6839
2.685
2.6869
2.689
2.691
2.6938
2.6943
2.696
2.6979
2.6999
2.7012
2.702
2.7033
2.707
2.7077
2.7081
2.7107
2.606
0.2313
0.2296
0.2266
0.2248
0.2222
0.2212
0.2195
0.2178
0.2153
0.2135
0.212
0.2105
0.2078
0.2061
0.2051
0.1988
0.1985
0.197
0.1968
0.1921
0.62039286
0.61608568
0.60817174
0.603588
0.59702918
0.5948068
0.5906745
0.58670964
0.58008279
0.575596
0.5719548
0.56832895
0.56130936
0.5568822
0.55444683
0.5381516
0.53747845
0.5334957
0.53346576
0.5006126
Tabel 1e. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 180 detik
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
t
(V)
(A)
P = V.I
0
1.554 0.4876 0.7577304
5
2.6799 0.2757 0.73884843
10
2.7 0.2569
0.69363
15
2.7063 0.2494 0.67495122
20
2.7079 0.2456 0.66506024
25
2.709 0.2419 0.6553071
30
2.7097 0.2399 0.65005703
35
2.7102 0.2375 0.6436725
40
2.7109 0.2354 0.63814586
45
2.7116 0.2333 0.63261628
50
2.7128 0.2301 0.62421528
55
2.7139 0.2286 0.62039754
60
2.7153 0.2265 0.61501545
65
2.7163 0.2232 0.60627816
70
2.7188 0.2214 0.60194232
75
2.7207 0.218 0.5931126
80
2.7226 0.2162 0.58862612
85
2.7243 0.214 0.5830002
90
2.7262 0.2118 0.57740916
95
2.7279 0.2099 0.57258621
100
2.7294 0.2078 0.56716932
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
170
175
180
2.7306
2.7321
2.7332
2.7343
2.7356
2.7366
2.7374
2.7383
2.7391
2.7398
2.7404
2.7413
2.7432
2.7434
2.7439
2.727
0.2059
0.2042
0.2025
0.201
0.1996
0.198
0.1968
0.1955
0.1944
0.1931
0.1921
0.1911
0.1888
0.1882
0.1875
0.1867
0.56223054
0.55789482
0.553473
0.5495943
0.54602576
0.5418468
0.53872032
0.53533765
0.53248104
0.52905538
0.52643084
0.52386243
0.51791616
0.51630788
0.51448125
0.5091309
=∫ [
= 69.2541 Joule
]
Grafik 1c. Daya terhadap waktu (120 detik)
P(t)1c = (-0.001236)t + 0.7671
E1c
=∫
=∫
[
= 83.1528 Joule
]
Untuk tabel 1a sampai tabel 1e, plot
grafik dan regresi daya listrik (P) terhadap
waktu, sehingga didapatkan energy yang
merupakan luas daerah dibawah grafik.
Grafik 1d. Daya terhadap waktu (150 detik)
P(t)1d = (-0.001263)t + 0.7009
E1d
=∫
Grafik 1a. Daya terhadap waktu (60 detik)
P(t)1a = (-0.003505) t + 0.8222
E1a
=∫
=∫ [
= 43.0230 Joule
=∫
[
= 90.9262 Joule
]
]
Grafik 1e. Daya terhadap waktu (180 detik)
P(t)1e = (-0.001263)t + 0.7009
E1e
=∫
Grafik 1b. Daya terhadap waktu (90 detik)
P(t)1b = (-0.001518) t + 0.8378
E1b
=∫
=∫
[
= 105.7014 Joule
]
Tabel 2a. Perubahan Volume Gas O2 dan H2
Setelah Proses Elektrolisis
t
60
90
120
150
180
Vi H2
(mL)
6
6
6
6
6
Vi O2
(mL)
4
4
4
4
4
Vf H2
(mL)
8
9.5
9.9
10
10.5
Vf O2
(mL)
5
5.5
5.5
6
6.5
ΔV H2
(mL)
2
3.5
3.9
4
4.5
Tabel 3b. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 90 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
Listrik P=
V.I
0
5
10
0.11325
0.02853
0.01133
0.323
0.1355
0.1219
0.03658
0.003866
0.001381
Tabel 2b. Energi Ikat Setelah Proses
Elektrolisis
ΔV O2
(mL)
n H2
(mmol)
n O2
(mmol)
n H2O
1
1.5
1.5
2
2.5
0.08928
0.15625
0.17410
0.17857
0.20089
0.04464
0.06696
-0.06696
0.08928
0.111607
0.08928
0.15625
0.17410
0.17857
0.20089
E2
(Energi
Ikat)
21.51785
43.2142
51.9642
43.0357
42.8571
Tabel 3c. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 120 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.14593
0.11193
0.08987
0.3246
0.1301
0.1258
0.047369
0.014562
0.011306
Tabel 3d. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 150 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
Grafik 2. Volume Gas O2 dan H2 yang
Terbentuk ketika Elektrolisis
Tabel 3a. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 60 detik
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.1461
0.09672
0.04178
0.2991
0.1314
0.1255
0.043699
0.012709
0.005243
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.0723
0.02893
0.10964
0.218
0.1386
0.1208
0.015761
0.00401
0.013245
Tabel 3e. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 180 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.1707
0.09827
0.08391
0.3078
0.1289
0.1208
0.052541
0.012667
0.010136
E4c
Untuk tabel 3a sampai tabel 3e, plot
grafik dan regresi daya listrik (P) terhadap
waktu, sehingga didapatkan energy yang
merupakan luas daerah dibawah grafik.
=∫
=∫ [
]
= 0.2441 Joule
Grafik 3d. Daya terhadap waktu (150 detik)
Grafik 3a. Daya terhadap waktu (60 detik)
P(t)4a = (-0.0002516)t + 0.012263
E4a
=∫
=∫ [
P(t)4d = (-0.003846)*t + 0.03978
E4d
=∫
=∫ [
= 0.2055 Joule
]
= 0.1101 Joule
]
Grafik 3e. Daya terhadap waktu (180 detik)
Grafik 3b. Daya terhadap waktu (90 detik)
P(t)4b = (-0.00352)t + 0.03154
E4b
=∫
=∫ [
= 0.1394 Joule
P(t)4e = (-0.0042405)*t + 0.046317
E4e
=∫
=∫ [
= 0.2511 Joule
]
Tabel 4a. Perubahan Volume Gas O2 dan H2
Setelah Proses Elektrokimia
t
60
90
120
150
180
Grafik 3c. Daya terhadap waktu (120 detik)
P(t)4c = (-0.003606)*t + 0.04244
]
Vi H2
(mL)
8
9.5
9.9
10
10.5
Vi O2
(mL)
5
5.5
5.5
6
6.5
Vf H2
(mL)
7.5
9
9
9
9
Vf O2
(mL)
5
5.4
5
5.5
5.5
ΔV H2
(mL)
0.5
0.5
0.9
1
1.5
Tabel 4b. Energi Ikat Proses Elektrokimia
ΔV
O2
(mL)
0
0.1
0.5
0.5
1
n H2
mmol)
n O2
(mmol)
0.02232
0.02232
0.04017
0.04464
0.06696
n H2O
(mmol)
E4 (Energi
Ikat)
0
0.0223
-10.937
0.00446 0.02232 -8.714285
0.02232 0.0401 -8.571428
0.02232 0.04464 -10.7589
0.04464 0.06696 -10.5803
Tabel 5. Hasil Perhitungan Energi Untuk
Setiap Lamanya Waktu Charge Battery
t
E1
E2
E3
60
90
120
43.023
69.254
83.152
21.5178
43.2142
51.9642
-10.9375
-8.71429
-8.57143
0.1101
0.1394
0.2441
E4
150
180
90.926
105.701
43.0357
42.8571
-10.7589
-10.5804
0.2055
0.2511
Tabel 6. Efisiensi Baterai
t
60
90
120
150
180
η1
η2
η3
η4
0.50015
0.624
0.62493
0.4733
0.40545
0.5083
0.2016
0.1649
0.25
0.2468
99.3415
62.5128
35.1144
52.3549
42.136
0.00256
0.00201
0.00294
0.00226
0.00238
3.2 Percobaan Fuel Cell Menggunakan Sel
Surya
a.
Cahaya Lampu
Tabel 7. Perubahan Tegangan, Arus, dan
Daya Elektrolisis dengan paparan cahaya
lampu
t
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tegangan
(Volt)
0.152
0.6692
0.8007
0.9165
0.9993
1.0477
1.079
1.104
1.1273
1.1529
Arus (A)
0.0116
0.0122
0.0127
0.0134
0.0136
0.0136
0.0136
0.0134
0.0133
0.0131
Daya (P)
= VI
0.001763
0.008164
0.010169
0.012281
0.01359
0.014249
0.014674
0.014794
0.014993
0.015103
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
840
860
880
900
1.1831
1.201
1.2612
1.311
1.3679
1.4232
1.4567
1.4684
1.4737
1.4772
1.4799
1.482
1.4838
1.4852
1.4866
1.488
1.489
1.4904
1.4912
1.492
1.4927
1.4934
1.4942
1.4948
1.4952
1.4957
1.4963
1.4966
1.4969
1.4976
1.498
1.4984
1.4986
1.4989
1.4993
1.4995
0.0132
0.0131
0.0131
0.013
0.0129
0.0129
0.0128
0.0127
0.0127
0.0127
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0127
0.0126
0.0126
0.0125
0.0125
0.0125
0.0126
0.0125
0.0125
0.0125
0.0124
0.0124
0.0124
0.0125
0.0125
0.0124
0.0124
0.0124
0.0124
0.015617
0.015733
0.016522
0.017043
0.017646
0.018359
0.018646
0.018649
0.018716
0.01876
0.018647
0.018673
0.018696
0.018714
0.018731
0.018749
0.018761
0.018928
0.018789
0.018799
0.018659
0.018668
0.018678
0.018834
0.01869
0.018696
0.018704
0.018558
0.018562
0.01857
0.018725
0.01873
0.018583
0.018586
0.018591
0.018594
Lalu dengan regresi linier Daya terhadap
waktu, didapatkan persamaan garisnya.
t
Grafik 4. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrolisis Ketika Fuelcell dipapari Cahaya
Lampu
P(t)1 = (8.76.10-6)*t + 0.013
E1
=∫
=∫
[
]
= 15.2478 Joule
Tabel 8. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia
ELEKTROKIMIA CAHAYA LAMPU
t
0
5
V (Volt)
0.201
0.014
I (A)
0.13
0.03
P = VI
0.02613
0.00042
Grafik 5. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrokimia Ketika Fuelcell dipapari
Cahaya Lampu
P(t)4 = (-0.005142)*t + 0.02613
E4
=∫
=∫ [
= 0.0644 Joule
]
b. Sinar Matahari
Tabel 9. Perubahan Tegangan, Arus, dan
Daya Elektrolisis dengan paparan Sinar
Matahari
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
Tegangan
(Volt)
0.171
0.5965
0.769
0.9726
1.1252
1.2972
1.45
1.4925
1.514
1.5373
1.9901
2.0799
2.1393
2.1892
2.2236
2.2482
2.2668
1.9588
2.223
2.2824
2.2909
2.29889
2.3057
2.3129
2.316
2.311
2.307
2.3124
2.3239
2.3387
2.3419
2.3507
2.3513
2.3477
2.3465
2.3338
2.1343
2.074
2.3101
1.7702
1.7129
1.6898
Arus
(A)
0.0057
0.0137
0.014
0.014
0.0131
0.016
0.0168
0.0194
0.0236
0.028
0.2099
0.2105
0.2114
0.2149
0.2129
0.2067
0.2016
0.0746
0.1731
0.1894
0.1834
0.1781
0.1731
0.1697
0.1646
0.1557
0.1459
0.146
0.1494
0.1536
0.1501
0.1505
0.146
0.1402
0.1356
0.1386
0.064
0.067
0.1186
0.0311
0.0271
0.0251
Daya (P) =
VI
0.0009747
0.0081721
0.010766
0.0136164
0.0147401
0.0207552
0.02436
0.0289545
0.0357304
0.0430444
0.417722
0.437819
0.452248
0.4704591
0.4734044
0.4647029
0.4569869
0.1461265
0.3848013
0.4322866
0.4201511
0.4094323
0.3991167
0.3924991
0.3812136
0.3598227
0.3365913
0.3376104
0.3471907
0.3592243
0.3515192
0.3537804
0.3432898
0.3291475
0.3181854
0.3234647
0.1365952
0.138958
0.2739779
0.0550532
0.0464196
0.042414
840
860
880
900
1.6676
1.6563
1.6517
1.6515
0.0232
0.0226
0.0223
0.0225
=∫ [
0.0386883
0.0374324
0.0368329
0.0371588
Lalu dengan regresi linier Daya terhadap
waktu, didapatkan persamaan garisnya.
= 0.039 Joule
Tabel 11. Energi dan Efisiensi Fuelcell
dengan Cahaya Lampu dan Sinar Matahari
Sumber Cahaya
Lampu
Matahari
I.
Grafik 6. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrolisis ketika Fuelcell dipapari sinar
matahari
P(t)1 = (2.034.10-5)*t + 0.2288
E1
=∫
=∫
[
= 214.157 Joule
]
Tabel 10. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia
t
0
5
10
ELEKTROKIMIA SINAR
MATAHARI
V (Volt)
I (A)
P = VI
0.0212
0.2918 0.0061862
0.02341
0.1199 0.0028069
0.02401
0.1129 0.0027107
Grafik 7. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrokimia Ketika Fuelcell dipapari Sinar
Matahari
P(t)4 = (-0.0003476)*t + 0.005639
E4
=∫
]
E1
15.2478
214.157
E4
0.0644
0.039
η4
0.004224
0.000182
Pembahasan
Grafik jumlah H2 dan O2 yang terbentuk
dapat dilihat pada grafik 2. Grafik ini
menerangkan bahwa jumlah H2 dan O2
yang terbentuk meningkat seiring lamanya
waktu baterai di-charge.
Jumlah mol gas yang terbentuk dengan
mol gas yang tersisa dapat dihitung oleh
persamaan (3). Hasilnya sudah tertera
pada tabel 2b.
Efisiensi pembentukan gas H2 dan O2
dengan baterai dapat dilihat pada tabel (6),
sedangkan efisiensi dengan sel surya ada
pada tabel 11.
Fuel cell harus dibuat lembab agar
transfer proton dapat terjadi. Hal ini
karena H+ membutuhkan air untuk dapat
berpindah dari anoda ke katoda. Jika
kondisi fuel cell kering, H+ tidak dapat
berpindah dari anoda ke katoda. Karena
pada dasarnya, fuel cell menghasilkan
panas yang dapat menyebabkan keringnya
membrane. Tegangan dan arus yang
dihasilkan dapat turun jika kondisinya
kering.
Perbandingan gas hydrogen dan
oksigen yang terbentuk tidak 2:1 karena
adanya reaksi pembatas. Oleh karena itu
salah satu reaktan akan habis terlebih
dahulu, sehingga hasil pembentukannya
tidak sesuai dengan perbandingan
koefisien yaitu 2:1.
Saat
mobil-mobilan
dinyalakan,
terdapat sisa gas yang tidak terpakai pada
silinder. Hal ini terjadi karena mobilmobilan memiliki energy ambang agar
dapat bergerak. Pada saat reaksi kimia
berlangsung, terdapat energy yang
dihasilkan untuk dapat dikonversi menjadi
energy listrik. Sisa gas tersebut memiliki
energy yang kurang dari energy ambang
sehingga tidak cukup untuk menggerakkan
mobil-mobilan.
Proses elektrolisis prinsipnya adalah
mengalirkan arus listrik pada air, sehingga
air dapat terdisosiasi ke bentuk molekul
diatomik yaitu hydrogen dan oksigen.
Elektrolisis dari satu mol air menghasilkan
satu mol gas hydrogen dan setengah mol
gas oksigen dalam bentuk diatomic.
Cara kerja fuel cell diawali dari
masuknya gas hidogen ke bagian anoda
fuel cell. Kemudian gas ini akan tertekan
menuju katalis. Ketika molekul hydrogen
terkena bagian platina dari katalis, molekul
ini terbagi menjadi 2 ion hydrogen dan 2
elektron. Elektron dialirkan melewati
anoda, kemudian bergerak ke arah
rangkaian luar lalu kembali menuju katoda.
Sementara itu pada bagian katoda dari fuel
cell, gas oksigen terdorong menuju katalis
sehingga terbentuk 2 atom oksigen. Setiap
atom memiliki muatan negative yang besar
sehingga dapat menarik ion positif
hydrogen melewati membrane, dimana ion
hydrogen, oksigen, dan elektron yang
berasal dari bagian luar rangkaian
bergabung membentuk molekul air.
Ketika
percobaan
sel
surya
menggunakan cahaya lampu, tidak
teramati gas H2 dan O2. Hal ini dapat
terjadi karena frekuensi cahaya lampu
tidak mampu membuat elektron tereksitasi
dari tingkat valensi ke tingkat konduksi.
Oleh karena itu kita tidak akan memiliki
sumber tegangan untuk mengelektrolisis
air agar didapatkan gas O2 dan H2.
Sedangkan pada percobaan dengan
menggunakan sinar matahari, akan
dihasilkan gas H2 dan O2. Hal ini karena
cahaya matahari memiliki banyak spectrum
warna sehingga terdapat berbagai
frekuensi cahaya yang dapat menyebabkan
elektron tereksitasi. Oleh karena itu,
sumber tegangan dapat dihasilkan untuk
mengelektrolisis air agar terbentuk gas O2
dan H2.
Faktor yang dapat mempengaruhi
kecepatan terbentuknya gas pada proses
elektrolisis adalah besarnya arus yang
mengalir saat proses elektrolisis. Selain itu,
jenis katalis yang digunakan juga dapat
mempengaruhi karena fungsi katalis
sebagai pemercepat reaksi. Semakin baik
jenis katalis yang digunakan, maka semakin
cepat reaksinya, oleh karena itu semakin
cepat pula gas terbentuk pada proses
elektrolisis.
Asumsi
yang
digunakan
pada
percobaan ini adalah daya listrik yang
dihasilkan dianggap sebagai luas daerah di
bawah grafik regresi garis. Selain itu,
jumlah mol atom gas di dalam kerucut
dianggap ideal sehingga nilai molnya dapat
dihitung dengan cara volume gas dibagi
22.4, serta air dapat terelektrolisis
sempurna.
II. Kesimpulan
1. Jumlah gas yang terbentuk dipengaruhi
oleh lamanya waktu proses elektrolisis
berlangsung.
2. Efisiensi
yang
dihasilkan
pada
percobaan
menggunakan
baterai
bermacam-macam dengan rentang
yang cukuup jauh
3. Adanya sisa gelembung gas pada
proses elektrokimia karena gelembung
gas tersebut tidak memiliki cukup
energy untuk dapat menggerakan
mobil-mobilan.
III. Pustaka
[1]www.mie.uth.gr/ekp_yliko/FuelCells.ppt
(diakses 24 Oktober 2014 pukul 17.10)
[2]http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem
/pemmain.htm (diakses 24 Oktober 2014,
pukul 18.15)
[3]Modul Eksperimen Fisika, Institut Teknologi
Bandung 2014-2015
[4] http://panelsuryaindonesia.com/konseppanel-surya/24-prinsip-kerja-energi-surya
(diakses 24 Oktober 2014 pukul 19.10)
ENERGI ALTERNATIF : FUEL CELL DAN SEL SURYA
Anandiani Khairunnisa Noviar, Sandy Jaka Adilla, Dhafinta Widya Saraswati, Sarah Zulfa
Khairunnisa, Irfan Abdurrahman
10212002, 10212040, 10212043, 10212045, 10212052
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
email : [email protected]
Asisten : Hannan Prasasta W. / 10211089
Tanggal Praktikum : 22-10-2014
Abstrak
Praktiku
odul Fuel Cell dan Sel Surya bertujua u tuk menentukan jumlah gas yang terbentuk sebagai
fungsi waktu serta menghitung efisiensi pembentukan gas H2 dan O2 dengan menggunakan baterai dan sel
surya. Selain itu, tujuan dari percobaan ini adalah menghitung efisiensi konversi gas H 2 dan O2 menjadi listrik.
Praktikum ini menggunakan fuel cell jenis PEM (Proton Exchange Membrane) dan sel surya. Fuel cell merupakan
susunan lapisan material tingkat lanjut dimana hydrogen dan oksigen dapat bereaksi satu sama lain untuk
menghasilkan listrik dan air tanpa pembuangan. Metode percobaan dilakukan dengan cara mengukur
perubahan tegangan dan arus setiap 20 detik selama waktu menyala baterai yang divariasikan sebanyak 5 kali.
Kemudian menghitung volume gas H2 dan O2 yang terbentuk dan sambungkan dengan fuel cell agar motor
bergerak. Lalu ganti baterai dengan sel surya yang dipapari dengan cahaya lampu untuk percobaan pertama
dan sinar matahari untuk percobaan kedua, data yang dibutuhkan untuk kedua percobaan ini sama dengan
percobaan pertama. Hipotesis pada percobaan ini adalah gas-gas yang terbentuk karena paparan sinar
matahari akan lebih banyak daripada paparan cahaya lampu.
Kata kunci : Efisiensi, Elektrokimia, Elektrolisis, Fuel Cell, Sel Surya, .
I.
Pendahuluan
Tujuan dari praktikum ini adalah untuk
menentukan jumlah gas yang terbentuk
sebagai fungsi waktu serta menghitung
efisiensi pembentukan gas H2 dan O2
dengan menggunakan baterai dan sel
surya. Selain itu, tujuan dari percobaan ini
adalah menghitung efisiensi konversi gas
H2 dan O2 menjadi listrik.
Fuel cell merupakan sebuah alat
elektrokimia yang dapat mengubah energy
kimia menjadi energy listrik. Setiap fuel cell
memiliki dua elektroda yang biasa disebut
katoda dan anoda, dimana setiap reaksi
yang menghasilkan listrik terjadi di kedua
elektroda ini. Fuel cell dapat mengubah
hydrogen dan oksigen menjadi energy
listrik, serta air sebagai produk sisanya[1].
Fuel Cell jenis PEM (Proton Exchange
Membrane) bekerja dengan sebuah
elektrolit polymer yang tipis dan
permeable. Efisiensi dari PEMFC adalah
sekitar 40%-50%. Untuk mempercepat
reaksi, PEMFC menggunakan katalis
platinum pada kedua sisi membrannya[2].
Prinsip kerja PEMFC adalah anoda
(bagian kaki negative fuel cell) mengalirkan
elektron yang dilepas hydrogen sehingga
elektron ini mengalir ke bagian luar
rangkaian. Anoda memiliki channelchannel sehingga dapat menyebarkan
hydrogen secara merata pada permukaan
katalis. Katoda (bagian kaki positif fuel cell)
mengalirkan elektron dari bagian luar
rangkaian masuk ke dalam katoda sehingga
elektron dapat berkombinasi dengan ion
hydrogen dan oksigen dari air. Katoda juga
memiliki channel-channel yang dapat
meratakan oksigen pada permukaan
katalis. Elektrolit merupakan membrane
pertukaran proton yang memblok elektron.
Membrane PEMFC harus dibasahi agar
berfungsi dan stabil[3]. Prinsip kerja PEMFC
dapat dilihat pada gambar 1.
konduksi sehingga timbul aliran listrik.
Bagian yang ditinggalkan elektron disebut
hole. Elektron akan menyebar di bagian n
dan hole menyebar di bagian p, serta
terdapat bandgap energy diantara pita
valensi dan pita konduksi[2].
Gambar 1. Skema Rangkaian Fuel Cell jenis
[3]
PEM (Proton Exchange Membrane)
Gambar 2. Prinsip Kerja Sel Surya
Reaksi Elektrokimia
Reaksi pada anoda : 2H2 4H+ + 4eReaksi pada katoda : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Reaksi total : 2H2 + O2 2H2O
Untuk memperoleh gas hydrogen
sebagai
bahan
bakar
fuel
cell
(menggerakan motor), maka terlebih
dahulu dilakukan proses elektrolisis, yaitu
air diberi sumber listrik agar terbentuk gas
H2 dan O2.
Reaksi Elektrolisis
Reaksi pada anoda : 2H2O O2 + 4H+ + 4eReaksi pada katoda : 4H+ + 4e- 2H2
Reaksi total : 2H2O 2H2 + O2
Sel surya merupakan alat yang dapat
mengkonversi energy cahaya menjadi
energy listrik. Konversi ini didasarkan pada
fenomena efek fotovoltaik. Sinar matahari
terdiri dari foton dengan tingkat energy
yang berbeda tergantung spectrum
warnanya. Secara teori, sel surya dapat
mengkonversi sekitar 30% energy radiasi
matahari menjadi listrik[4]. Prinsip kerjanya
adalah cahaya datang dengan panjang
gelombang tertentu, kemudian mengenai
bahan semikonnduktor. Terjadilah pair
generation atau electron-hole production.
Elektron yang semula berada pada pita
valensi akan tereksitasi menuju pita
[4]
II. Metode Percobaan
Sebelum memulai percoban, praktikan
harus paham penyusunan kit yang akan
digunakan. Setelah kit terpasang, isi kedua
silinder dengan aquadest sampai skala 0.
Percobaan pertama yaitu melakukan
elektrolisis
terlebih
dahulu
untuk
menghasilkan gas O2 dan H2 menggunakan
baterai. Data yang diperlukan adalah
perubahan arus dan tegangan setiap 5
detik untuk nyala baterai selama 60, 90,
120, 150, dan 180 detik dan volume gas H2
dan O2 setelah proses elektrolisis. Setelah
itu, jalankan fuel cell dengan gas H2 yang
terbentuk, serta catat perubahan arus dan
tegangannya tiap 5 detik sampai mobilmobilan berhenti. Kemudian catat lagi
volume gas H2 dan O2 setelah proses
elektrokimia.
Percobaan kedua prinsipnya sama
seperti percobaan pertama, hanya saja
baterai diganti dengan sel surya. Sel surya
ini dipapari cahaya lampu selama 15 menit,
sementara pengamatan dilakukan dengan
mengambil data perubahan arus dan
tegangan tiap 20 detik. Kemudian catat
volume kedua gas setelah elektrolisis dan
jalankan fuel cell, serta ukur perubahan
tegangan dan arus setiap 5 detik sampai
mobil-mobilan berhenti. Setelah itu ukur
volume kedua gas setelah proses
elektrokimia. Kemudian sel surya yang
tadinya
dipapari
cahaya
lampu,
divariasikan dengan dipapar sinar matahari
langsung.
Hipotesis dari percobaan ini adalah gas
yang terbentuk dengan elektrolisis
menggunakan baterai jumlahnya lebih
sedikit karena lama baterai menyala hanya
sebentar. Kemudian, gas yang terbentuk
karena paparan sinar matahari jumlahnya
lebih banyak karena sinar matahari
memiliki intensitas lebih tinggi dari cahaya
lampu dengan waktu pengamatan yang
sama.
III. Data dan Pengolahan Data
Untuk ketiga percobaan (fuel cell
baterai, cahaya matahari, cahaya lampu),
kita akan menggunakan beberapa rumus
berikut :
P = V.I
(1)
E=∫
(2)
n=
ηn =
(3)
(4)
Keterangan :
P = Daya listrik (Watt)
V = Tegangan (Volt)
I = Arus (Ampere)
E = Energi (Joule)
n = jumlah mol
η = efisiensi
3.1 Percobaan Fuel Cell Menggunakan
Baterai
Hasil
pengukuran
perubahan
tegangan dan arus tiap 5 detik selama
baterai menyala ditunjukkan oleh
kelima tabel berikut:
Tabel 1a. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 60 detik
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.298
0.0016 0.0020768
2.616
0.3458 0.9046128
2.6621
0.3161 0.84148981
2.6786
0.3019 0.80866934
2.74
0.2208 0.604992
2.7244
0.2588 0.70507472
2.7001
0.2789 0.75305789
2.7366
0.2496 0.68305536
2.7403
0.2418 0.66260454
2.7336
0.2479 0.67765944
2.7399
0.2398 0.65702802
2.661
0.3
0.7983
2.5858
0.2896 0.74884768
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tabel 1b. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 90 detik
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.38
0.5523 0.762174
2.676
0.3344 0.8948544
2.6476
0.315
0.833994
2.6525
0.3072 0.814848
2.6538
0.3036 0.80569368
2.654
0.3
0.7962
2.69
0.2978 0.801082
2.6554
0.2952 0.78387408
2.6561
0.293 0.7782373
2.657
0.2898 0.7699986
2.6581
0.2877 0.76473537
2.6596
0.284 0.7553264
2.6612
0.282 0.7504584
2.6635
0.2784 0.7415184
2.66
0.2761 0.734426
2.6727
0.2696 0.72055992
2.6713
0.2658 0.71003154
2.6742
0.2644 0.70705848
2.6776
0.2601 0.69644376
Tabel 1c. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 120 detik
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegang
Arus
Daya Listrik
an (V)
(A)
P = V.I
1.047 0.1179 0.1234413
2.6457 0.3007 0.79556199
2.6736 0.2818 0.75342048
2.6821 0.2743 0.73570003
2.6842 0.2696 0.72366032
2.687 0.2666 0.7163542
2.6868 0.2641 0.70958388
2.6785 0.2694 0.7215879
2.6772 0.2672 0.71534784
2.6765 0.2654 0.7103431
2.679 0.2636 0.7061844
2.6808 0.262
0.7023696
2.6825 0.2601 0.69771825
2.6847 0.257
0.6899679
2.687 0.2554 0.6862598
2.6891 0.2526 0.67926666
2.6890 0.2486 0.66849285
2.6904 0.247
0.6645288
2.6956 0.2437 0.65691772
2.6987 0.2415 0.65173605
2.701 0.2399 0.6479699
2.7032 0.2367 0.63984744
2.7056 0.234
0.6331104
2.708 0.2313 0.6263604
2.7076 0.2243 0.60731468
Tabel 1d. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 150 detik
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan
Arus
Daya Listrik
(V)
(A)
P = V.I
1.5904 0.4847 0.77086688
2.6449 0.2753 0.72814097
2.6613 0.2612 0.69513156
2.6698 0.2531 0.67572638
2.6742 0.2476 0.66213192
2.677 0.2436 0.6521172
2.6789 0.2416 0.64722224
2.6792 0.2382 0.63818544
2.6794 0.2372 0.63555368
2.6804 0.2354 0.63096616
2.6815 0.2326 0.6237169
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
2.6822
2.6833
2.6839
2.685
2.6869
2.689
2.691
2.6938
2.6943
2.696
2.6979
2.6999
2.7012
2.702
2.7033
2.707
2.7077
2.7081
2.7107
2.606
0.2313
0.2296
0.2266
0.2248
0.2222
0.2212
0.2195
0.2178
0.2153
0.2135
0.212
0.2105
0.2078
0.2061
0.2051
0.1988
0.1985
0.197
0.1968
0.1921
0.62039286
0.61608568
0.60817174
0.603588
0.59702918
0.5948068
0.5906745
0.58670964
0.58008279
0.575596
0.5719548
0.56832895
0.56130936
0.5568822
0.55444683
0.5381516
0.53747845
0.5334957
0.53346576
0.5006126
Tabel 1e. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrolisis selama 180 detik
BATTERY ELECTROLYSIS
Tegangan Arus
Daya Listrik
t
(V)
(A)
P = V.I
0
1.554 0.4876 0.7577304
5
2.6799 0.2757 0.73884843
10
2.7 0.2569
0.69363
15
2.7063 0.2494 0.67495122
20
2.7079 0.2456 0.66506024
25
2.709 0.2419 0.6553071
30
2.7097 0.2399 0.65005703
35
2.7102 0.2375 0.6436725
40
2.7109 0.2354 0.63814586
45
2.7116 0.2333 0.63261628
50
2.7128 0.2301 0.62421528
55
2.7139 0.2286 0.62039754
60
2.7153 0.2265 0.61501545
65
2.7163 0.2232 0.60627816
70
2.7188 0.2214 0.60194232
75
2.7207 0.218 0.5931126
80
2.7226 0.2162 0.58862612
85
2.7243 0.214 0.5830002
90
2.7262 0.2118 0.57740916
95
2.7279 0.2099 0.57258621
100
2.7294 0.2078 0.56716932
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
170
175
180
2.7306
2.7321
2.7332
2.7343
2.7356
2.7366
2.7374
2.7383
2.7391
2.7398
2.7404
2.7413
2.7432
2.7434
2.7439
2.727
0.2059
0.2042
0.2025
0.201
0.1996
0.198
0.1968
0.1955
0.1944
0.1931
0.1921
0.1911
0.1888
0.1882
0.1875
0.1867
0.56223054
0.55789482
0.553473
0.5495943
0.54602576
0.5418468
0.53872032
0.53533765
0.53248104
0.52905538
0.52643084
0.52386243
0.51791616
0.51630788
0.51448125
0.5091309
=∫ [
= 69.2541 Joule
]
Grafik 1c. Daya terhadap waktu (120 detik)
P(t)1c = (-0.001236)t + 0.7671
E1c
=∫
=∫
[
= 83.1528 Joule
]
Untuk tabel 1a sampai tabel 1e, plot
grafik dan regresi daya listrik (P) terhadap
waktu, sehingga didapatkan energy yang
merupakan luas daerah dibawah grafik.
Grafik 1d. Daya terhadap waktu (150 detik)
P(t)1d = (-0.001263)t + 0.7009
E1d
=∫
Grafik 1a. Daya terhadap waktu (60 detik)
P(t)1a = (-0.003505) t + 0.8222
E1a
=∫
=∫ [
= 43.0230 Joule
=∫
[
= 90.9262 Joule
]
]
Grafik 1e. Daya terhadap waktu (180 detik)
P(t)1e = (-0.001263)t + 0.7009
E1e
=∫
Grafik 1b. Daya terhadap waktu (90 detik)
P(t)1b = (-0.001518) t + 0.8378
E1b
=∫
=∫
[
= 105.7014 Joule
]
Tabel 2a. Perubahan Volume Gas O2 dan H2
Setelah Proses Elektrolisis
t
60
90
120
150
180
Vi H2
(mL)
6
6
6
6
6
Vi O2
(mL)
4
4
4
4
4
Vf H2
(mL)
8
9.5
9.9
10
10.5
Vf O2
(mL)
5
5.5
5.5
6
6.5
ΔV H2
(mL)
2
3.5
3.9
4
4.5
Tabel 3b. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 90 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
Listrik P=
V.I
0
5
10
0.11325
0.02853
0.01133
0.323
0.1355
0.1219
0.03658
0.003866
0.001381
Tabel 2b. Energi Ikat Setelah Proses
Elektrolisis
ΔV O2
(mL)
n H2
(mmol)
n O2
(mmol)
n H2O
1
1.5
1.5
2
2.5
0.08928
0.15625
0.17410
0.17857
0.20089
0.04464
0.06696
-0.06696
0.08928
0.111607
0.08928
0.15625
0.17410
0.17857
0.20089
E2
(Energi
Ikat)
21.51785
43.2142
51.9642
43.0357
42.8571
Tabel 3c. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 120 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.14593
0.11193
0.08987
0.3246
0.1301
0.1258
0.047369
0.014562
0.011306
Tabel 3d. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 150 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
Grafik 2. Volume Gas O2 dan H2 yang
Terbentuk ketika Elektrolisis
Tabel 3a. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 60 detik
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.1461
0.09672
0.04178
0.2991
0.1314
0.1255
0.043699
0.012709
0.005243
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.0723
0.02893
0.10964
0.218
0.1386
0.1208
0.015761
0.00401
0.013245
Tabel 3e. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia setelah di-charge 180 detik
BATTERY ELECTROCHEMICAL
t
Tegangan
(V)
Arus (A)
Daya
ListrikP=
V.I
0
5
10
0.1707
0.09827
0.08391
0.3078
0.1289
0.1208
0.052541
0.012667
0.010136
E4c
Untuk tabel 3a sampai tabel 3e, plot
grafik dan regresi daya listrik (P) terhadap
waktu, sehingga didapatkan energy yang
merupakan luas daerah dibawah grafik.
=∫
=∫ [
]
= 0.2441 Joule
Grafik 3d. Daya terhadap waktu (150 detik)
Grafik 3a. Daya terhadap waktu (60 detik)
P(t)4a = (-0.0002516)t + 0.012263
E4a
=∫
=∫ [
P(t)4d = (-0.003846)*t + 0.03978
E4d
=∫
=∫ [
= 0.2055 Joule
]
= 0.1101 Joule
]
Grafik 3e. Daya terhadap waktu (180 detik)
Grafik 3b. Daya terhadap waktu (90 detik)
P(t)4b = (-0.00352)t + 0.03154
E4b
=∫
=∫ [
= 0.1394 Joule
P(t)4e = (-0.0042405)*t + 0.046317
E4e
=∫
=∫ [
= 0.2511 Joule
]
Tabel 4a. Perubahan Volume Gas O2 dan H2
Setelah Proses Elektrokimia
t
60
90
120
150
180
Grafik 3c. Daya terhadap waktu (120 detik)
P(t)4c = (-0.003606)*t + 0.04244
]
Vi H2
(mL)
8
9.5
9.9
10
10.5
Vi O2
(mL)
5
5.5
5.5
6
6.5
Vf H2
(mL)
7.5
9
9
9
9
Vf O2
(mL)
5
5.4
5
5.5
5.5
ΔV H2
(mL)
0.5
0.5
0.9
1
1.5
Tabel 4b. Energi Ikat Proses Elektrokimia
ΔV
O2
(mL)
0
0.1
0.5
0.5
1
n H2
mmol)
n O2
(mmol)
0.02232
0.02232
0.04017
0.04464
0.06696
n H2O
(mmol)
E4 (Energi
Ikat)
0
0.0223
-10.937
0.00446 0.02232 -8.714285
0.02232 0.0401 -8.571428
0.02232 0.04464 -10.7589
0.04464 0.06696 -10.5803
Tabel 5. Hasil Perhitungan Energi Untuk
Setiap Lamanya Waktu Charge Battery
t
E1
E2
E3
60
90
120
43.023
69.254
83.152
21.5178
43.2142
51.9642
-10.9375
-8.71429
-8.57143
0.1101
0.1394
0.2441
E4
150
180
90.926
105.701
43.0357
42.8571
-10.7589
-10.5804
0.2055
0.2511
Tabel 6. Efisiensi Baterai
t
60
90
120
150
180
η1
η2
η3
η4
0.50015
0.624
0.62493
0.4733
0.40545
0.5083
0.2016
0.1649
0.25
0.2468
99.3415
62.5128
35.1144
52.3549
42.136
0.00256
0.00201
0.00294
0.00226
0.00238
3.2 Percobaan Fuel Cell Menggunakan Sel
Surya
a.
Cahaya Lampu
Tabel 7. Perubahan Tegangan, Arus, dan
Daya Elektrolisis dengan paparan cahaya
lampu
t
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tegangan
(Volt)
0.152
0.6692
0.8007
0.9165
0.9993
1.0477
1.079
1.104
1.1273
1.1529
Arus (A)
0.0116
0.0122
0.0127
0.0134
0.0136
0.0136
0.0136
0.0134
0.0133
0.0131
Daya (P)
= VI
0.001763
0.008164
0.010169
0.012281
0.01359
0.014249
0.014674
0.014794
0.014993
0.015103
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
840
860
880
900
1.1831
1.201
1.2612
1.311
1.3679
1.4232
1.4567
1.4684
1.4737
1.4772
1.4799
1.482
1.4838
1.4852
1.4866
1.488
1.489
1.4904
1.4912
1.492
1.4927
1.4934
1.4942
1.4948
1.4952
1.4957
1.4963
1.4966
1.4969
1.4976
1.498
1.4984
1.4986
1.4989
1.4993
1.4995
0.0132
0.0131
0.0131
0.013
0.0129
0.0129
0.0128
0.0127
0.0127
0.0127
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0126
0.0127
0.0126
0.0126
0.0125
0.0125
0.0125
0.0126
0.0125
0.0125
0.0125
0.0124
0.0124
0.0124
0.0125
0.0125
0.0124
0.0124
0.0124
0.0124
0.015617
0.015733
0.016522
0.017043
0.017646
0.018359
0.018646
0.018649
0.018716
0.01876
0.018647
0.018673
0.018696
0.018714
0.018731
0.018749
0.018761
0.018928
0.018789
0.018799
0.018659
0.018668
0.018678
0.018834
0.01869
0.018696
0.018704
0.018558
0.018562
0.01857
0.018725
0.01873
0.018583
0.018586
0.018591
0.018594
Lalu dengan regresi linier Daya terhadap
waktu, didapatkan persamaan garisnya.
t
Grafik 4. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrolisis Ketika Fuelcell dipapari Cahaya
Lampu
P(t)1 = (8.76.10-6)*t + 0.013
E1
=∫
=∫
[
]
= 15.2478 Joule
Tabel 8. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia
ELEKTROKIMIA CAHAYA LAMPU
t
0
5
V (Volt)
0.201
0.014
I (A)
0.13
0.03
P = VI
0.02613
0.00042
Grafik 5. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrokimia Ketika Fuelcell dipapari
Cahaya Lampu
P(t)4 = (-0.005142)*t + 0.02613
E4
=∫
=∫ [
= 0.0644 Joule
]
b. Sinar Matahari
Tabel 9. Perubahan Tegangan, Arus, dan
Daya Elektrolisis dengan paparan Sinar
Matahari
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
Tegangan
(Volt)
0.171
0.5965
0.769
0.9726
1.1252
1.2972
1.45
1.4925
1.514
1.5373
1.9901
2.0799
2.1393
2.1892
2.2236
2.2482
2.2668
1.9588
2.223
2.2824
2.2909
2.29889
2.3057
2.3129
2.316
2.311
2.307
2.3124
2.3239
2.3387
2.3419
2.3507
2.3513
2.3477
2.3465
2.3338
2.1343
2.074
2.3101
1.7702
1.7129
1.6898
Arus
(A)
0.0057
0.0137
0.014
0.014
0.0131
0.016
0.0168
0.0194
0.0236
0.028
0.2099
0.2105
0.2114
0.2149
0.2129
0.2067
0.2016
0.0746
0.1731
0.1894
0.1834
0.1781
0.1731
0.1697
0.1646
0.1557
0.1459
0.146
0.1494
0.1536
0.1501
0.1505
0.146
0.1402
0.1356
0.1386
0.064
0.067
0.1186
0.0311
0.0271
0.0251
Daya (P) =
VI
0.0009747
0.0081721
0.010766
0.0136164
0.0147401
0.0207552
0.02436
0.0289545
0.0357304
0.0430444
0.417722
0.437819
0.452248
0.4704591
0.4734044
0.4647029
0.4569869
0.1461265
0.3848013
0.4322866
0.4201511
0.4094323
0.3991167
0.3924991
0.3812136
0.3598227
0.3365913
0.3376104
0.3471907
0.3592243
0.3515192
0.3537804
0.3432898
0.3291475
0.3181854
0.3234647
0.1365952
0.138958
0.2739779
0.0550532
0.0464196
0.042414
840
860
880
900
1.6676
1.6563
1.6517
1.6515
0.0232
0.0226
0.0223
0.0225
=∫ [
0.0386883
0.0374324
0.0368329
0.0371588
Lalu dengan regresi linier Daya terhadap
waktu, didapatkan persamaan garisnya.
= 0.039 Joule
Tabel 11. Energi dan Efisiensi Fuelcell
dengan Cahaya Lampu dan Sinar Matahari
Sumber Cahaya
Lampu
Matahari
I.
Grafik 6. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrolisis ketika Fuelcell dipapari sinar
matahari
P(t)1 = (2.034.10-5)*t + 0.2288
E1
=∫
=∫
[
= 214.157 Joule
]
Tabel 10. Tegangan, Arus, dan Daya
Elektrokimia
t
0
5
10
ELEKTROKIMIA SINAR
MATAHARI
V (Volt)
I (A)
P = VI
0.0212
0.2918 0.0061862
0.02341
0.1199 0.0028069
0.02401
0.1129 0.0027107
Grafik 7. Daya terhadap Waktu Proses
Elektrokimia Ketika Fuelcell dipapari Sinar
Matahari
P(t)4 = (-0.0003476)*t + 0.005639
E4
=∫
]
E1
15.2478
214.157
E4
0.0644
0.039
η4
0.004224
0.000182
Pembahasan
Grafik jumlah H2 dan O2 yang terbentuk
dapat dilihat pada grafik 2. Grafik ini
menerangkan bahwa jumlah H2 dan O2
yang terbentuk meningkat seiring lamanya
waktu baterai di-charge.
Jumlah mol gas yang terbentuk dengan
mol gas yang tersisa dapat dihitung oleh
persamaan (3). Hasilnya sudah tertera
pada tabel 2b.
Efisiensi pembentukan gas H2 dan O2
dengan baterai dapat dilihat pada tabel (6),
sedangkan efisiensi dengan sel surya ada
pada tabel 11.
Fuel cell harus dibuat lembab agar
transfer proton dapat terjadi. Hal ini
karena H+ membutuhkan air untuk dapat
berpindah dari anoda ke katoda. Jika
kondisi fuel cell kering, H+ tidak dapat
berpindah dari anoda ke katoda. Karena
pada dasarnya, fuel cell menghasilkan
panas yang dapat menyebabkan keringnya
membrane. Tegangan dan arus yang
dihasilkan dapat turun jika kondisinya
kering.
Perbandingan gas hydrogen dan
oksigen yang terbentuk tidak 2:1 karena
adanya reaksi pembatas. Oleh karena itu
salah satu reaktan akan habis terlebih
dahulu, sehingga hasil pembentukannya
tidak sesuai dengan perbandingan
koefisien yaitu 2:1.
Saat
mobil-mobilan
dinyalakan,
terdapat sisa gas yang tidak terpakai pada
silinder. Hal ini terjadi karena mobilmobilan memiliki energy ambang agar
dapat bergerak. Pada saat reaksi kimia
berlangsung, terdapat energy yang
dihasilkan untuk dapat dikonversi menjadi
energy listrik. Sisa gas tersebut memiliki
energy yang kurang dari energy ambang
sehingga tidak cukup untuk menggerakkan
mobil-mobilan.
Proses elektrolisis prinsipnya adalah
mengalirkan arus listrik pada air, sehingga
air dapat terdisosiasi ke bentuk molekul
diatomik yaitu hydrogen dan oksigen.
Elektrolisis dari satu mol air menghasilkan
satu mol gas hydrogen dan setengah mol
gas oksigen dalam bentuk diatomic.
Cara kerja fuel cell diawali dari
masuknya gas hidogen ke bagian anoda
fuel cell. Kemudian gas ini akan tertekan
menuju katalis. Ketika molekul hydrogen
terkena bagian platina dari katalis, molekul
ini terbagi menjadi 2 ion hydrogen dan 2
elektron. Elektron dialirkan melewati
anoda, kemudian bergerak ke arah
rangkaian luar lalu kembali menuju katoda.
Sementara itu pada bagian katoda dari fuel
cell, gas oksigen terdorong menuju katalis
sehingga terbentuk 2 atom oksigen. Setiap
atom memiliki muatan negative yang besar
sehingga dapat menarik ion positif
hydrogen melewati membrane, dimana ion
hydrogen, oksigen, dan elektron yang
berasal dari bagian luar rangkaian
bergabung membentuk molekul air.
Ketika
percobaan
sel
surya
menggunakan cahaya lampu, tidak
teramati gas H2 dan O2. Hal ini dapat
terjadi karena frekuensi cahaya lampu
tidak mampu membuat elektron tereksitasi
dari tingkat valensi ke tingkat konduksi.
Oleh karena itu kita tidak akan memiliki
sumber tegangan untuk mengelektrolisis
air agar didapatkan gas O2 dan H2.
Sedangkan pada percobaan dengan
menggunakan sinar matahari, akan
dihasilkan gas H2 dan O2. Hal ini karena
cahaya matahari memiliki banyak spectrum
warna sehingga terdapat berbagai
frekuensi cahaya yang dapat menyebabkan
elektron tereksitasi. Oleh karena itu,
sumber tegangan dapat dihasilkan untuk
mengelektrolisis air agar terbentuk gas O2
dan H2.
Faktor yang dapat mempengaruhi
kecepatan terbentuknya gas pada proses
elektrolisis adalah besarnya arus yang
mengalir saat proses elektrolisis. Selain itu,
jenis katalis yang digunakan juga dapat
mempengaruhi karena fungsi katalis
sebagai pemercepat reaksi. Semakin baik
jenis katalis yang digunakan, maka semakin
cepat reaksinya, oleh karena itu semakin
cepat pula gas terbentuk pada proses
elektrolisis.
Asumsi
yang
digunakan
pada
percobaan ini adalah daya listrik yang
dihasilkan dianggap sebagai luas daerah di
bawah grafik regresi garis. Selain itu,
jumlah mol atom gas di dalam kerucut
dianggap ideal sehingga nilai molnya dapat
dihitung dengan cara volume gas dibagi
22.4, serta air dapat terelektrolisis
sempurna.
II. Kesimpulan
1. Jumlah gas yang terbentuk dipengaruhi
oleh lamanya waktu proses elektrolisis
berlangsung.
2. Efisiensi
yang
dihasilkan
pada
percobaan
menggunakan
baterai
bermacam-macam dengan rentang
yang cukuup jauh
3. Adanya sisa gelembung gas pada
proses elektrokimia karena gelembung
gas tersebut tidak memiliki cukup
energy untuk dapat menggerakan
mobil-mobilan.
III. Pustaka
[1]www.mie.uth.gr/ekp_yliko/FuelCells.ppt
(diakses 24 Oktober 2014 pukul 17.10)
[2]http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem
/pemmain.htm (diakses 24 Oktober 2014,
pukul 18.15)
[3]Modul Eksperimen Fisika, Institut Teknologi
Bandung 2014-2015
[4] http://panelsuryaindonesia.com/konseppanel-surya/24-prinsip-kerja-energi-surya
(diakses 24 Oktober 2014 pukul 19.10)