Selanjutnya dilakukan pengukuran maximum power density dengan melakukan variasi eksternal resistor yang digunakan pada hari ke 30. Eksternal resistor diaplikasikan kepada setiap PMFC lalu didiamkan selama sekktar 15 menit untuk mencapai kondisi pseudo-steady-state. Dari variasi eksternal resistor didapatkan kurva polarisasi. Dimana kurva polarisasi menampilkan nilai voltase sebagai fungsi dari current density. Gambar 4.5 merupakan nilai dari current density dan voltase yang dilakukan menggunakan variasi eksternal resistor:
Universitas Pertamina-24
Gambar 4.5 Kurva Polarisasi PMFC Variasi Jenis Anoda dan Jarak Elektroda
Suatu kurva polarisasi terbagi menjadi 3 bagian: (i) zona OCV (Open Circuit Voltage) dimana tidak adanya arus, (ii) zona dimana nilai voltase mulai turun sedikit demi sedikit secara linear dengan bertambahnya nilai current density, (iii) zona dimana terjadi penurunan nilai voltase secara drastis pada nilai current density yang semakin tinggi (Logan et al., 2006). Pada zona OCV didapat nilai voltase ketika tidak ada arus yang mengalir karena nilai dari hambatan sangat maksimum sebagaimana berlakunya hukum Ohm sebagai berikut:
V = I x R (4.1)
PMFC CF-10 dan PMFC CF-20 merupakan PMFC dengan elektroda bermaterial sama berupa carbon felt dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC CF-10 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0,275 V. PMFC CF-20 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0.225 V. PMFC Fe-10 dan PMFC Fe-20 merupakan PMFC dengan anoda bermaterial sama berupa besi dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC Fe-10 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0,465 V. PMFC Fe-20 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0.347 V. PMFC Zn-10 dan PMFC Zn-20 merupakan PMFC dengan anoda bermaterial sama berupa seng dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC Zn-10 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0,493 V. PMFC Zn-20 memiliki nilai voltase pada saat OCV sebesar 0.542 V.
Berdasarkan variasi material anoda terlihat bahwa PMFC dengan material seng menghasilkan nilai voltase pada saat OCV tertinggi. PMFC dengan material besi dengan nilai OCV kedua tertinggi. PMFC dengan material carbon felt menghasilkan nilai OCV terendah. Berdasarkan variasi jarak elektroda, PMFC bermaterial besi dan carbon felt dengan jarak yang lebih dekat menghasilkan nilai OCV yang lebih tinggi dibandingkan PMFC dengan jarak yang lebih jauh. Namun hal ini tidak berlaku
Universitas Pertamina-25 bagi PMFC bermaterial seng dimana nilai OCV pada PMFC dengan jarak yang lebih dekat dihasilkan nilai OCV yang lebih rendah.
Nilai OCV seharusnya mendekati nilai overall cell electromotive force (Eemf) yang merupakan perbedaan potensial dari anoda dan katoda (Logan et al., 2006). Nilai Eemf didapat ketika tidak ada arus yang mengalir. Nilai Eemf dapat dicari dengan persamaan berikut :
Eemf = Ecat – Ean (4.2)
Nilai Eemf didapat melalui perhitungan teoritis sehingga nilainya merupakan nilai potensial tertinggi dari suatu fuel cell. Berbeda dengan nilai OCV yang lebih rendah dari nilai Eemf yang seharusnya karena diambil secara praktik sehingga terdapat pengaruh dari berbagai potential losses. Pada suatu PMFC nilai voltase yang terukur merupakan persamaan linear nilai current sebagaimana persamaan berikut:
Ecell = OCV - IRint (4.3)
IRint merupakan jumlah internal losses yang meliputi nilai current dan hambatan internal pada sistem tersebut. Ohmic losses merupakan salah satu internal losses pada suatu fuel cell. Ohmic losses dapat meliputi hambatan dalam proses perpindahan elektron. Menurut referensi (Logan, 2008) penelitian ini memiliki mekanisme reaksi dengan nilai Eemf sebagai berikut:
Tabel 4.1 Mekanisme Reaksi Penelitian PMFC
Elektroda Mekanisme Reaksi E (V)
Anoda 6CO2 + 24H+ + 24e- C6H12O6 + 6H2O - 0.428
Katoda O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 0.805
Berdasarkan data di atas, maka nilai Eemf sebesar:
Eemf = 0,805 – (-0,428) (4.4) Eemf = 1,233 V
Sedangkan berdasarkan kurva polarisasi di atas, nilai OCV tidak sama dengan nilai Eemf. Hal ini disebabkan oleh internal losses pada setiap PMFC, seperti jarak dari elektroda. Jarak elektroda yang semakin dekat dapat mengurangi besar ohmic losses (Logan, 2008). Sehingga sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan, PMFC dengan material besi dan carbon felt dengan jarak elektroda yang lebih dekat menghasilkan nilai voltase yang lebih besar karena ohmic losses pada PMFC tersebut lebih rendah. Selain itu proses perpindahan proton pada PMFC dengan jarak yang lebih jauh memungkinkan proses transfer proton menuju katoda menjadi tertunda, sehingga nilai internal resistance akan semakin besar. Tapi hal ini tidak terbukti pada PMFC bermaterial seng dimana PMFC dengan jarak lebih dekat menghasilkan nilai voltase yang lebih rendah. Hal ini diduga karena adanya pengaruh dari aktivitas
Universitas Pertamina-26 metabolis dari mikroorganisme, dimana hal tersebut juga merupakan salah satu ohmic losses (Logan et al., 2006).
Dari kedua nilai voltase dan current density tersebut dapat diketahui nilai dari maximum power density dengan menggunakan rumus:
𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 (4.5) Nilai P merupakan power yang kemudian dihubungkan dengan nilai dari current density untuk mendapatkan nilai maximum power density. Nilai maximum power density ditampilkan melalui gambar 4.6 berikut:
Gambar 4.6 Power Density dari PMFC Variasi Jenis Anoda
dan Jarak Elektroda
Dari gambar 4.6 di atas terlihat nilai maximum power density dari masing-masing PMFC. PMFC CF-10 dan PMFC CF-20 merupakan PMFC dengan elektroda bermaterial sama berupa carbon felt dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC CF-10 memiliki nilai maximum power density sebesar 3,29 mW/m2. PMFC CF-20 memiliki nilai maximum power density sebesar 1,39 mW/m2. PMFC Fe-10 dan PMFC Fe-20 merupakan PMFC dengan anoda bermaterial sama berupa besi dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC Fe-10 memiliki nilai maximum power density sebesar 99,26 mW/m2. PMFC Fe-20 memiliki maximum power density sebesar 37,73 mW/m2. PMFC Zn-10 dan PMFC Zn-20 merupakan PMFC dengan anoda bermaterial sama berupa seng dengan jarak sebesar 10 cm dan 20 cm. PMFC Zn-10 memiliki nilai maximum power density sebesar 100,2 mW/m2. PMFC Zn-20 memiliki nilai maximum power density sebesar 80,64 mW/m2.
Berdasarkan variasi jarak elektroda, PMFC bermaterial besi, seng, dan carbon felt dengan jarak yang lebih dekat menghasilkan nilai maximum power density yang lebih tinggi dibandingkan PMFC dengan jarak yang lebih jauh. Berdasarkan variasi material anoda terlihat bahwa PMFC dengan anoda
Universitas Pertamina-27 bermaterial seng menghasilkan nilai maximum power density tertinggi. PMFC dengan anoda bermaterial besi dengan nilai maximum power density kedua tertinggi. PMFC dengan elektroda bermaterial carbon felt menghasilkan nilai maximum power density terendah.
Nilai maximum power density digambarkan melalui titik puncak dari power density yang linear dengan bertambahnya current density. Setelah mencapai titik puncak yang menggambarkan nilai maximum power density, akan terjadi penurunan nilai power density pada nilai current density yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan oleh adanya ohmic losses yang semakin besar. Besarnya ohmic losses salah satunya disebabkan oleh jarak antara elektroda yang semakin jauh. Selain itu penurunan nilai power density bisa diakibatkan oleh overpotensial dari suatu elektroda.