Fuel Cell Hidrogen beserta aspek kimia dan penerapannya dalam kehidupan

1. ASPEK KIMIA,
HIDROGEN FUEL
CELL, DAN
PENERAPANNYA
NAMA : MUHAMAD GHADAFI
KELAS : KIMIA A 2011
NIM : 113234019

2. PENGENALAN
ILMU KIMIA

3. Apa Itu Ilmu Kimia?
• Materi ada disekeliling kita. Perhatikan salah satu contoh
kegiatan berikut:
Metabolisme tubuh
Kendaraan:
Gabungan logam
Dan polimer
Udara adalah materi
Pakaian terbuat dari
bahan serat sintesis (polimer)

4. Ilmu
Kimia
Segala sesuatu
tentang materi dan
perubahan materi
inilah yang dipelajari
dalam ilmu kimia.
Bahwa ilmu kimia ada
disekeliling kita dan
mempengaruhi seluruh
aspek kehidupan kita
menjadi alasan betapa
pentingnya mempelajari ilmu
kimia; betapa ilmu kimia
membuat materi disekitar
kita menjadi lebih berguna
Ilmu kimia adalah ilmu
pengetahuan alam yang
mempelajari tentang materi
yang meliputi struktur,
susunan, sifat, dan
perubahan materi serta
energi yang menyertainya

5. Materi
Dalam Alam
Diperbaharui
Tidak Bisa
Diperbaharui
Materi Dalam Alam

6. • Materi yang tidak dapat diperbaharui seperti minyak
bumi dan aluminium, akan segera habis jika diambil
terus menerus. Ilmu kimia berperan untuk mencaru
penggantinya, seperti penggunaan gasohol dan sel
bahan bakar sebagai pengganti minyak bumi
• Untuk materi yang dapat diperbaharui diperlukan
upaya yang melibatkan ilmu kimia untuk terus
menerus memperbaruinya. Contoh penggunaan pupuk
pada tanaman untuk meningkatkan produksi pangan.
Mineral merupakan
materi yang tidak dapat
diperbaharui
Tanaman dan udara
merupakan
salah dua
materi yang dapat
diperbaharui

7. • Pemanfaatan materi yang melibatkan ilmu kimia tidak lepas dari
timbulnya dampak negatif terhadap manusia dan lingkungannya.
Hal ini disebabkan kurangnya pemahaman terhadap materi
tersebut.
Polusi
Kendaraan
Limbah
Polimer Plastik
Gas Freon

8. • Dampak negatif tersebut dapat ditekan dengan
pemahaman ilmu kimia yang baik, membuat materi ramah
lingkungan, dan memantau aktivitas manusia terhadap
lingkungan
Etanol dari fermentasi tetes tebu digunakan
sebagai gasohol (pengganti minyak bumi)
Kendaraan dengan sel bahan bakar (fuel cell)
menghasilkan produk buang tanpa air

9. FUEL CELL
HIDROGEN

10. HIDROGEN
• Hidrogen (H): 75% massa alam semesta adalah
hidrogen.
• Kerapatan energi per massa: 143 MJ/kg (gas
alam: 53,6 MJ/kg).
• Kerapatan energi per volum: 10,1 MJ/L(l);
0,01079 MJ/L (g) (LNG: 22,2 MJ/L).
• Energi yang bersih:
o H2 + O2  H2O
• Berbagai metoda produksi/konversi

11. PRODUKSI HIDROGEN
• Steam reforming
CH4 + H2O  CO + 3H2 (700–1100 oC)
• Oksidasi parsial
CnHm + n/2O2  nCO + m/2H2
• Elektrolisis
2H2O(aq)  2H2(g) + O2(g)
• Fotoelektrolisis
Penggunaan fotokatalis untuk memisahkan
hidrogen dan oksigen dari molekul air

12. ALAT KONVERSI ENERGI HIDROGEN:
SEL BAHAN BAKAR
Hidrogen
dari tangki
Oksigen
dari udara
Katalis Katalis
Sirkuit
listrik
Membran
penukar proton
Reaksi pada anoda:
2H2  4H+ + 4e-
Reaksi pada katoda:
O2 + 4H+ + 4e-  2H2O
Reaksi keseluruhan:
2H2 + O2  2H2O

13. • Daya rendah
o Alat elektronik
o Direct Methanol Fuel Cell
• Daya menengah
o Kendaraan
o Proton Exchange Membrane
• Daya tinggi
o Pembangkit listrik
o Solid Oxide Fuel Cell
APLIKASI ENERGI LISTRIK

14. • Produksi hidrogen (Teknik Kimia, Kimia)
• Penyimpanan hidrogen (Kimia)
• Alat konversi energi listrik dari hidrogen
(sel bahan bakar) (Kimia, Fisika)
• Kontrol dan manajemen daya terintegrasi
(STEI, Teknik Fisika)
RISET-RISET PENTING BERKAITAN
DENGAN BAHAN BAKAR HIDROGEN

15. Tujuan: untuk menghasilkan H2 dari metanol melalui steam
reforming pada kondisi menengah.
CH3OH(g) + H2O(g)  CO2(g) + 3H2(g)
Penelitian untuk menghasilkan H2 (Katalis)
Cat.
Katalis: berbasis tembaga
Cu/MxOy/Al2O3
suport
Promoter,
Zn
Logam
aktif
Bagaimana mencapainya?
Mencari oksida logam yang terbaik sebagai promotor,
mencari komposisi optimal dan cara terbaik untuk
menyiapkan katalis.

16. Material untuk menyimpan H2
Metal-kompleks
Kuasikrista
Material karbon
Utamanya Nanocarbon

17. RISET SEL BAHAN BAKAR
Membran PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) &
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
• Tujuan
Menemukan jenis material membran yang memenuhi
persyaratan sebagai membran sel bahan bakar
• Penelitian pada jenis-jenis material
 Polimer alam (kitosan)
 Polimer semisintetik (nata-de- coco)
 Polimer sintetik ( polisulfon, polistiren)
• Masalah
• Konduktivitas rendah
• Methanol cross over yang tinggi
• Penelitian selanjutnya
• Fabrikasi MEA (Membrane Electrolyte Assembly)
• Karakterisasi kinerja

18. Solid Oxide Fuel Cell
• Tujuan
 Membuat SOFC dengan efisiensi tinggi dan biaya
murah
• Hasil saat ini:
 Ditemukan material komposit Ca-YSZ/LSGM yang
memiliki efisiensi produksi energi yang tinggi
dibandingkan dengan material konvensional
 Telah dibuat sistem uji sel bahan bakar padatan.
• Penelitian selanjutnya
 Pembuatan sel bahan bakar dalam ukuran besar
 Pembuatan sistem “stack”
 Pembuatan prototipe (1 kW)

19. Kontrol Aliran Daya pada Sistem
Energi Hibrida
• Tujuan : mengembangkan sistem kontrol untuk
mengatur aliran daya pada sistem energi hibrid
yang tdd :
o Fuel cell
o Battery
o Supercapacitor
• Memanfaatkan karakteristik masing-masing
sumber energi
• Merancang DC/DC converter
• Aplikasi : kendaraan hibrida, sistem energi
hibrida untuk berbagai keperluan

20. Susunan Sel
Bahan Bakar
Hidrogen
DC/DC
Converters
Inverter
Susunan
Batere
Motor Listrik
P Stack
P Step-
up
P load
+
-
+
-
P Batt
I Stack
I Step-up
I Batt
Ultra-Capacitors
Bank
P uC
+ _
+ -
I Uc

21. APLIKASI
(PENERAPAN)

23. Klasifikasi
Based on types of electrolyte:
• polymer electrolyte membrand fuel cell
(PEMFC)
• alkaline fuel cell (AFC)
• phosphoric acid fuel cell (PAFC)
• molten carbonat fuel cell (MCFC)
• solid oxides fuel cell (SOFC)

24. (PEMFC)

26. REAKSI
-Anode : H2  2H+ +2e-
E = 0 VSHE (standard hidrogen electrode)
-Cathode: 1/2O2 +2H+ +2e-  H2O
E0=1.229 VSHE
Overall reaction: H2 + 1/2O2  H2O
*E0=1.229 VSHE

27. Aspek Elektrokimia
Perubahan energi bebas standard dari reaksi fuel cell dapat
dituliskan sebagai berikut :
∆Go = –nFE
Didapatkan nilai :
∆G= −229 kJ/mol,
n = 2,
F = 96500 C/g.mole electron,
E = 1.229 V.

28. Thermodynamic
Principles
Penentuan kerja listrik maksimum dalam
pengoperasian fuel cell pada suhu dan tekanan
konstan memberikan perubahan pada energi
bebas Gibbs dengan persamaan :
W = ∆G = –nFE
Kemudian perbedaan antara ∆G dan ∆H
sebanding dengan perubahan entropi ∆S
∆G = ∆H – T∆S

29. • Pengaruh suhu dan tekanan pada potensial sel (E) :
Dengan
∆V: perubahan volume,
∆S : perubahan entropi,
E : potensial sel,
T : suhu,
P : tekanan gas reaktan,
n : jumlah elektron yang terlibat,
F : Konstanta Faraday

30. Fuel Cell Efficiency
• Efisiensi :
• Efisiensi ideal dari fuel
cell yang dioperasikan secara
reversibel :
• Efisiensi termal idel dari fuel cell yaitu (kondisi
ideal):

31. Keuntungan dan Kerugian

32. Aplikasi
Power:
Type 212 submarine with fuel cell propulsion of the German Navy in dry dock

33. Fuel Cell In the
Car

35. Aplikasi Yang Lain
• Providing power for base stations or cell sites
• Distributed generation
• An uninterrupted power supply (UPS)
• Base load power plants
• Fuel cell APU for Refuse Collection Vehicle
• Hybrid vehicles, pairing the fuel cell with either an ICE or a battery.
• Notebook computers for applications where AC charging may not
be readily available.
• Portable charging docks for small electronics (e.g. a belt clip that
charges your cell phones or PDA).
• Smartphones, laptops and tablets.
• Small heating appliances.

36. Kesimpulan
• Kelebihan sel bahan bakar :
o Pada suhu tinggi tidak memerlukan katalis kuat
o Dapat digunakan untk pesawat ruang angkasa
o Air yang dihasilkan dapat dikonsumsi
o Efisiensi ≈ 75%
• Kerugian sel bahan bakar :
o Ukuran besar
o Harga mahal
o Membutuhkan asupan O2 dan H2 terus menerus agar
dapat beroperasi
o Terdapat Hasil Samping Contohnya CO2

37. Daftar Rujukan
• www.wikipedia.org
• www.fuelcells.org
• www.fuelcellenergy.com
• onlinelibrary.wiley.com