STUDI PENGARUH PENAMBAHAN 0-10%wt
CARBON BLACK
JENIS
FEF 550 TERHADAP KARAKTERISASI PELAT BIPOLAR BERBASIS
KARBON KOMPOSIT
Lintang Ayu Kencana, Yunita Sadeli
1. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
E-mail: lintang_dhea@yahoo.com
Abstrak
Sel tunam merupakan salah satu energi alternatif yang potensial untuk dikembangkan mengingat potensi dan jenis sumber energi yang terbarukan. Salah satu jenis sel tunam adalah Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
(PEMFC). Pada PEMFC terdapat komponen penting yang disebut dengan pelat bipolar. Pelat bipolar memiliki prosentase terbesar dalam berat dan biaya pembuatan sel tunam. Pada penelitian ini dibuat pelat bipolar karbon komposit dengan 80%wt matriks dan penguat yang terdiri dari 90-100%wt grafit dapur busur listrik (EAF) dan 0-10%wt carbon black FEF 550 dan 20%wt polimer sebagai pengikat yang terdiri dari epoksi resin dan pengeras dengan perbandingan 1:1. Pembuatan pelat bipolar ini dengan variabel penambahan 0-10%wt carbon black FEF 550 yaitu 0;2,5;5;7,5 dan 10%wt carbon black FEF. Proses pencampuran menggunakan pengaduk berkecepatan tinggi dengan kecepatan 28.000 rpm dan dicetak menggunakan metode cetak kompresi dengan tekanan 55 MPa, suhu 100oC, selama 4 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi optimum terdapat pada 10%wt carbon black FEF 550 dimana dihasilkan nilai densitas sebesar 2,34 gr/cm3, porositas 2,39%, kekuatan fleksural 30,06 MPa, dan konduktivitas listrik 6,52 S/cm.
Kata kunci: carbon black FEF 550, karbon komposit, pelat bipolar, PEMFC, sel tunam Abstract
Fuel cell is one of the potentially alternative energy to be developed due to its potential and kind as renewable energy sources. Fuel cell has many types and one of them is PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). Bipolar plate is one of main components in PEMFC which have the largest percentage in fuel cell weight and production cost. In this study, the bipolar plate materials made from carbon composites. Constituent materials carbon composites are 80wt% matrix and reinforcement, consist of 95wt% Graphite EAF (Electric Arc Furnace) and 0-10%wt carbon black FEF 550 and 20% polymer as binder consist of epoxy resin and hardener with ratio 1:1. The addition variabels 0-10%wt of carbon black FEF 550 are 0;2,5;5;7,5 and 10%wt. The mixing process used high-speed mixer with mixing speeds 28.000 rpm and to form the plate used compression molding with pressure 55 MPa, 100°C, for 4 hours. The test results showed that the maximum composition was 10%wt carbon black FEF 550 which values are density 2,34 gr/cm3, porosity 2,39%, flexural strength 30,06 MPa and electric
conductivity 5,52 S/cm.
Keywords: carbon black FEF 550, carbon composite, bipolar plate, PEMFC, fuel cell
1. Pendahuluan
Pada saat ini energi merupakan sumber kebutuhan hidup manusia yang memiliki peranan penting dalam menjalankan aktivitasnya. Ketersediaan energi yang kontinyu
menerus mengakibatkan ketergantungan. Sumber energi yang terbatas dan tidak dapat diperbaharui, terutama sumber energi dari fosil mengakibatkan kerusakan alam. Energi dari bahan fosil dapat menyebabkan efek gas rumah kaca, karena itu diperlukan sumber energi alternatif yang dapat menggantikan fungsi dari sumber energi yang telah ada. Energi alternatif diharapkan dapat digunakan berulang kali, ketersediaanya melimpah di alam, tidak berbahaya, aman, dan tidak menghasilkan limbah.
Sel tunam merupakan salah satu jenis energi alternatif yang saat ini sedang dikembangkan dan diperkirakan akan memiliki peranan penting dalam perekonomian di masa depan. Sel tunam memiliki beberapa faktor yang berpotensi untuk pengembangan lebih lanjut sebagai sumber energi masa depan dan untuk transportasi, yaitu mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi dan ketersediaan energi, serta pertumbuhan sumber tenaga listrik[1].
Sel tunam merupakan salah satu energi alternatif yang potensial untuk dikembangkan mengingat potensi dan jenis sumber energi yang terbarukan. Salah satu jenis sel tunam adalah Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). PEMFC terdiri dari membran sebagai elektrolit pemisah anoda dan katoda, mengandung katalis platina, pelat bipolar dan pelat lainnya. PEMFC dapat bersaing dengan baik sebagai sumber energi alternatif dikarenakan PEMFC memiliki daya densitas yang tinggi, bentuk konstruksi yang kokoh, efisiensi konversi energi kimia ke listrik yang tinggi, emisi lingkungan yang mendekati nol, temperatur operasi yang rendah (<100ºC) [2].
2. Tinjauan Teoritis
Pelat bipolar pada PEMFC umumnya terbuat dari material yang memiliki konduktivitas listrik yang baik serta tidak dapat dilewati oleh gas. Selain itu dalam pemilihan material pelat bipolar perlu diperhatikan biaya produksi dan berat. Untuk mengurangi biaya produksi dan berat digunakan polimer termoset sebagai pengikat dalam pelat bipolar. Polimer termoset memiliki keterbatasan, yaitu nilai konduktivitasnya yang rendah[3]. Sebagai upaya untuk meningkatkan konduktivitas listrik digunakan penguat berupa carbon black dan grafit.
Grafit memiliki struktur yang berlapis, kekakuan dan dimensi yang stabil terhadap polimer serta konduktivitas listrik yang baik[4]. Carbon black dipilih karena konduktivitas
listrik dan biaya yang rendah. Carbon black sebagai filler dari polimer sudah digunakan secara luas dalam beberapa dekade untuk berbagai macam aplikasi[5].
Pada penelitian yang dilakukan sebelumnya oleh Ivan dengan variabel berupa waktu pencampuran pada proses cetak kompresi untuk PEMFC diperoleh hasil maksimal pada waktu pencampuran 90 detik dengan nilai konduktivitas 5.3 S/cm dan kekuatan fleksural 78.129 MPa.
Christine Samosir telah melakukan penelitian dengan variabel tekanan pada pelat bipolar PEMFC dengan 10%wt carbon black, dimana hasil optimum didapatkan pada tekanan 55MPa yaitu porositas 0,94%, densitas 1,70 gr/cm3 dan kekuatan fleksural 32,30 MPa. Penelitian lain yang dilakukan oleh Dinda Putri Amalia dengan variabel temperatur cetak kompresi. pada pelat bipolar PEMFC dengan 5% carbon black didapatkan hasil optimum pada temperatur 100ºC dengan nilai konduktivitas listrik 0,24 S/cm, kekuatan fleksural 48,24 MPa, porositas 0,36%, dan densitas 1,78 g/cm3.
Dari variabel proses yang telah dilakukan pada penelitian-penelitian sebelumnya didapatkan hasil yang optimum yang kemudian digunakan dalam penelitian ini, yaitu waktu pencampuran 90 detik, tekanan cetak kompresi 55MPa dan temperatur cetak kompresi 100ºC.
Dari penelitian lain didapatkan hasil aspect rasio material pengisi berhubungan dengan konduktivitas listriknya, dimana resistivitas komposit dengan partikel besar lebih rendah nilainya dengan partikel ukuran lebih kecil[6].Pada penelitian yang dilakukan oleh Balberg terdapat pernyataan bahwa komposisi optimal pengisi di dalam komposit bermatriks polimer ditentukan oleh struktur carbon black[7].
Penelitian ini akan berfokus pada pengaruh variasi komposisi carbon black FEF 550 konduktivitas listrik dan sifat mekanis material pelat bipolar PEMFC. Berdasarkan penelitian-penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, maka hipotesis dari penelitian ini adalah: “Semakin tinggi komposisi carbon black pada pelat bipolar akan meningkatkan sifat mekanis dan konduktivitas listrik”.
3. Metode Penelitian
Penelitian yang dilakukan menggunakan material carbon black FEF 550, epoksi resin, grafit EAF dan pengeras dengan berat total keseluruhan 180 gram. Perbandingan antara material polimer termoset dengan penguat adalah 20:80. Resin epoksi yang digunakan
pengeras. Bahan penguat yang terdiri atas grafit dan carbon black yag digunakan adalah 80% dari total berat penyusun pelat bipolar. Variasi antara komposisi grafit: carbon black yaitu 100:0;97.5:2.5;95:5;92.5:7.5;90:10
Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini diantara lain melakukan preparasi bahan baku yaitu grafit dan carbon black yang dimasukkan ke dalam beaker glass 250 ml untuk dilakukan pencampuran dengan kecepatan 28000 rpm selama 10 detik. Kemudian bahan tersebut yang telah dicampur kemudian ditambahkan epoksi resin dan pengeras. Selanjutnya kembali dilakukan pencampuran selama 90 detik dan pencetakan pelat bipolar dari hasil yang didapatkan dari proses sebelumnya ke cetakan ukuran 15 x 15 cm dengan tekanan 55 MPa pada teperatur 100ºC selama 4 jam. Pelat bipolar kemudian akan didiamkan pada temperatur ruang selama 24 jam. Setelah itu dilakukan pengujian antara lain, pengujian konduktivitas, pengujian porositas, pengujian fleksural, pengujian densitas dan pengamatan perpatahan fleksural menggunakan FESEM.
Komposisi bahan yang akan dibuat adalah sebagai berikut: Tabel 1. Komposisi Sampel Pelat Bipolar
Sampel
Pelat Bipolar (100%wt. =180gram)
Penguat (80%wt.= 144gr) Matriks (20%wt.=36gr) Grafit EAF (gr) Carbon Black (gr) Resin epoksi 50%wt. (gr) Pengeras 50% wt. (gr) A 144 0 18 18 B 140,4 3.6 C 136.8 7.2 D 133.2 10.8 E 129.6 14.4
Pada pengujian konduktivitas listrik alat yang digunakan adalah four point probe yang menggunakan 4 titik. Titik 1 dan titik 4 sebagai titik pengukur arus yang dibaca pada ammeter, sedangkan titik 2 dan 3 sebagai pengukur tegangan yang dibaca pada voltmeter. Pengujian dilakukan sesuai dengan ASTM B193. Pengujian densitas dilakukan perbandingan antara massa material di udara dengan massa material di dalam air. Massa material di dalam air akan berbeda dengan massa material di udara akibat adanya gaya ke atas atau gaya Archimedes. Pengujian densitas dilakukan berdasarkan standar ASTM D792 (Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement). Pengujian porositas berpaduan pada ASTM C20 untuk mengetahui persentase porositas pada pelat bipolar yang telah dibuat. Prinsip pengujian
porositas adalah membandingkan massa antara sampel yang telah dikeringkan di oven dengan massa di dalam air dan massa di udara setelah direndam air dengan suhu 100oC. ASTM C20 (Standard Test Methods for Apparent Porosity, Water Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Burned Refractory Brick and Shapes by Boiling Water). Sampel pengujian tekuk dipreparasi berdasarkan standar ASTM D790 (Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced Plastics and Electrical Insulating Materials), yaitu standar untuk preparasi sampel pengujian tekuk material berbasis plastik[8]. Prinsip pengujian tekuk adalah dengan meletakkan sampel di antara dua penahan kemudian penekanan dilakukan ketika mesin bergerak ke bawah sehingga sampel mengalami pembebanan di tengah dengan kecepatan pembebanan konstan hingga sampel tersebut patah. Metode yang digunakan pada pengujian ini adalah metode tekuk tiga titik.
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan
4.1 Analisa Pengaruh Penambahan Carbon Black FEF 550 terhadap Konduktivitas
Listrik Material Pelat Bipolar
Konduktivitas listrik merupakan parameter penting yang menjadi target dan kunci keberhasilan dari penelitian material pelat bipolar untuk aplikasi PEMFC dewasa ini. Material pelat bipolar yang akan menjadi komponen utama dalam PEMFC harus bersifat konduktif atau dengan kata lain memiliki nilai konduktivitas listrik cukup tinggi. Hal ini mutlak diperlukan karena material pelat bipolar harus mampu menghantarkan elektron dengan baik sehingga efisiensi kerja yang dimiliki oleh PEMFC menjadi optimal. Target nilai konduktivitas listrik yang harus dimiliki oleh material pelat bipolar untuk aplikasi
PEMFC sesuai dengan yang ditetapkan oleh Departemen Energi Amerika Serikat adalah
minimal 100 S/cm[9]. Nilai konduktivitas listrik ini dapat dicapai dengan pemilihan material serta desain pemrosesan material yang tepat. Salah satu fokus utama dari penelitian ini adalah mengetahui efektivitas dari penambahan fraksi volum penguat Grafit EAF dan Carbon Black FEF 550 terhadap peningkatan sifat konduktivitas listrik material pelat bipolar.
Nilai kondukivitas listrik yang diukur pada penelitian ini adalah nilai konduktivitas listrik pada arah in-plane. Data hasil pengujian nilai konduktivitas listrik material pelat
Tabel 2 Pengaruh Penambahan CB terhadap Konduktivitas Listrik Pelat Bipolar
Sampel % CB FEF 550 % Grafit EAF Konduktivitas (S/cm)
A 0 100 0,08
B 2,5 97,5 0,2
C 5 95 0,09
D 7,5 92,5 0,11
E 10 90 6,52
Nilai konduktivitas listrik tertinggi terdapat pada sampel E sebesar 6,52 S/cm. Hasil pengujian menunjukkan konduktivitas listrik cenderung meningkat dari sampel A ke sampel D, kemudian terus naik sampai titik tertinggi di sampel E. Konduktivitas listrik terkecil terdapat pada sampel A sebesar 0,08 S/cm
8 7 6.52 6 5 Konduktivitas 4 (S/cm) 3 2 1 0.08 0.2 0.09 0.11 0 0 2.5 5 7,5 10 %CB FEF 550
Gambar 1.Pengaruh Penambahan CB terhadap Konduktivitas Listrik Pelat Bipolar
Dari setiap formulasi penelitian, titik uji pada bagian tengah pelat memiliki nilai konduktivitas listrik yang cenderung lebih tinggi dibandingkan titik lainnya di dalam pelat bipolar. Hal ini dikarenakan pada proses compression molding, penekan yang hanya fokus memberi tekanan pada daerah tengah cetakan. Oleh karena itu, proses penekanan secara maksimal hanya terjadi di daerah tengah cetakan sehingga nilai konduktivitas listrik tertinggi berada di daerah tengah pelat. Tekanan pada proses compression molding berperan penting dalam pembentukan conductive network dari komposit, hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Suherman[8]. Dengan tekanan yang tinggi, jarak
antara partikel conductive filler akan berkurang sehingga memungkinkan terjadi kontak antar partikel yang berguna sebagai jalur elekton (electron path). Nilai konduktivitas untuk daerah selain bagian tengah pelat memiliki distribusi yang hampir merata untuk setiap titik uji pada masing-masing formula.
Penambahan carbon black dapat meningkatkan nilai konduktivitas listrik secara efisien dengan penambahan yang minimum, karena partikel tersebut memiliki struktur yang bulat berlubang dan bercabang, luas permukaan yang tinggi dan ukuran partikel yang kecil[10].
Kenaikan nilai konduktivitas listrik dapat dijelaskan dengan percolation behavior atau
percolation theory merupakan suatu teori yang dapat menjelaskan mekanisme
konduktivitas pada carbon polymer composite (CPC)[11]. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.2 bahwa komposit awalnya akan bersifat insulator ketika penambahan jumlah
filler masih di bawah critical value yang disebut percolation threshold (ϕc). Ketika
jumlah filler telah melewati nilai kritis, maka akan terbentuk suatu mekanisme konduktif pada komposit dengan nilai tertentu sehingga komposit berubah sifatnya dari insulator menjadi konduktif. Pada gambar 4.2 juga dapat dilihat bahwa nilai konduktivitas listrik maksimum (σm) baru akan diperoleh ketika jumlah filler (F) meningkat di atas
percolation threshold. Permasalahannya saat ini adalah para peneliti terus mencari nilai
optimum mengenai komposisi filler yang baik untuk menghasilkan konduktivitas tertinggi pada carbon polymer composite (CPC). Proses mendapatkan komposisi optimum ini menjadi semakin sulit ketika kita tidak mungkin secara mudah membandingkan hasil penelitian satu dengan yang lain karena adanya parameter proses dan kondisi yang berbeda-beda untuk setiap penelitian. Maka tidak heran jika ditemukan nilai optimum yang berbeda-beda dari berbagai peneliti yang memiliki fokus bahasan yang sama, yaitu pengaruh komposisi filler terhadap konduktivitas listrik pelat bipolar berbasis matriks polimer.
Dari hasil pengujian konduktivitas listrik yang dilakukan belum mampu memenuhi nilai konduktivitas untuk material pelat bipolar yang telah ditetapkan oleh Department of
4.2 Analisa Pengaruh Penambahan Carbon Black FEF 550 terhadap Nilai Kekuatan Fleksural Material Pelat Bipolar
Pelat bipolar dalam aplikasinya akan mengalami tegangan fleksural dari setiap susunan sel tunam dan terpengaruh tekanan dari gas baik yang masuk maupun yang keluar dari sistem sel tunam. Sehingga ditetapkan standar minimum yaitu 25 MPa untuk kekuatan fleksural dari material pelat bipolar[9]. Diharapkan pelat bipolar memiliki nilai
kekuatan fleksural yang tinggi sehingga pelat tidak mengalami keretakan ataupun kegagalan ketika diaplikasikan dan mengalami suatu pembebanan.
Hasil pengujian fleksural pelat bipolar dapat dilihat pada Tabel 3 yaitu perbandingan nilai kekuatan fleksural material pelat bipolar.
Tabel 3. Pengaruh Penambahan CB terhadap Kekuatan Fleksural Pelat Bipolar Sampel % CB FEF 550 % Grafit EAF Kekuatan Fleksural (MPa)
A 0 100 46,63
B 2,5 97,5 50,17
C 5 95 23,33
D 7,5 92,5 23,72
E 10 90 30,06
Dari Tabel 3 diketahui bahwa kekuatan fleksural tertinggi pada sampel material pelat bipolar B yaitu 50,17 MPa. Kekuatan fleksural cenderung menurun seiring dengan bertambahnya komposisi carbon black. Nilai kekuatan fleksural pada sampel C dan D tidak memenuhi syarat DOE yaitu memiliki nilai kekuatan fleksural di atas 25 MPa, melainkan hanya memiliki nilai kekuatan fleksural 23,33 dan 23,72 MPa.
Kekuatan fleksural dari pelat bipolar sangat bergantung kepada void yang terdapat di dalamnya. Dengan berkurangnya jumlah void, maka distribusi beban akan merata antara
binder dengan filler. Pada Gambar 2 terlihat bahwa kekuatan fleksural material pelat
bipolar mengalami penurunan pada komposisi carbon black FEF 550 5% dan 7,5%. Hal ini dapat disebabkan oleh proses pembasahan yang kurang baik antara binder epoksi
60 50 46.63 50.17 40 Kekuatan 30 Fleksural (MPa) 20 23.33 23.72 30.06 10 0 0 2.5 5 7.5 10 %CB FEF 550
Gambar 3 Pengaruh Penambahan CB terhadap Kekuatan Fleksural Pelat Bipolar
Dengan pengamatan FE-SEM dapat dilihat void yang terdapat dalam pelat bipolar. Berdasarkan Gambar 3 terdapat void pada hampir seluruh sampel pelat bipolar. Struktur
carbon black yang porous juga dapat menurunkan sifat mekanis komposit sehingga ada
batas komposisi carbon black di dalam binder polimer.
Kenaikan komposisi partikel berukuran besar akan meningkatkan pembentukan high
structure carbon black di dalam komposit. Selain memiliki sifat kontak antar partikel
yang lebih baik, carbon black dengan high structure memiliki sifat dispersability yang baik serta lebih mampu mengisi void di dalam komposit dibandingkan dengan low
structure carbon black[12]. Seharusnya berdasarkan pernyataan tersebut nilai kekuatan
fleksural terus naik seiring dengan bertambahnya komposisi carbon black.
(c) (d)
Gambar 3. Pengamatan FE-SEM Pada Pelat Bipolar Variabel Komposisi CB FEF 550 (a) 2,5% ; (b) 5%; (c) 7,5%; (d) 10%.
4.3 Analisa Pengaruh Penambahan Carbon Black FEF 550 terhadap Nilai Densitas
Material Pelat Bipolar
Pengujian densitas dilakukan untuk mengetahui massa jenis dan kerapatan pelat bipolar yang dihasilkan. Semakin besar nilai densitas maka semakin berat bobot yang dimiliki oleh pelat tersebut. Pelat bipolar yang baik seharusnya memiliki nilai densitas yang rendah. Nilai densitas yang rendah akan mempengaruhi berat total suatu susunan sel tunam. Ketika densitas semakin kecil, berat total pelat akan menjadi ringan sehingga dapat meningkatkan efisiensi sel tunam dan energi listrik yang dihasilkan jadi lebih besar. Nilai densitas yang rendah serta kepadatan yang tinggi akan sesuai dengan standar ideal karakteristik pelat bipolar. Berdasarkan standar DOE, pelat bipolar harus memiliki densitas kurang dari 5 gr/cm3[9].
Berikut pada Tabel 4 merupakan hasil pengujian densitas yang dilakukan terhadap material pelat bipolar.
Tabel 4. Pengaruh Penambahan CB terhadap Densitas Pelat Bipolar Sampel % CB FEF 550 % Grafit EAF Densitas (gr/cm3)
A 0 100 2,22
B 2,5 97,5 2,15
C 5 95 2,32
D 7,5 92,5 2,65
Dari hasil pengujian didapatkan nilai densitas terkecil adalah sampel pengujian B dengan nilai densitas 2,15 gr/cm3. Sedangkan nilai densitas terbesar adalah sampel pengujian D dengan nilai densitas 2,65 gr/cm3.
3 2.5 2 Densitas 1.5 (gr/cm3) 2.22 2.15 2.32 2.65 2.34 1 0.5 0 0 2.5 5 7.5 10 %CB FEF 550
Gambar 4. Pengaruh Penambahan CB terhadap Densitas Pelat Bipolar
Besarnya nilai densitas umumnya turun dengan penambahan partikel nano[13]. Hal ini disebabkan oleh densitas material nano yang sangat kecil sehingga terjadi penurunan nilai densitas secara keseluruhan. Tekanan yang tinggi pada saat compression molding merupakan faktor yang dapat meningkatkan nilai densitas dan mengurangi jumlah void serta defect pada komposit pelat bipolar [14].
Densitas yang dihasilkan pada penelitian ini memiliki perbedaan nilai tapi perbedaan tersebut tidak terlalu signifikan. Perbedaan yang tidak signifikan ini bisa disebabkan karena proses pencetakan pelat yang menggunakan sistem penekanan panas dimana digunakan suhu 100ºC selama pencetakan sehingga adanya efek suhu akan meningkatkan kehomogenan antara material-material penyusun komposit tersebut. Selain itu, perbedaan nilai densitas yang tidak terlalu signifikan juga disebabkan karena epoksi resin merupakan polimer yang memiliki nilai temperature glass (Tg). Tg merupakan suhu transisi gelas yang mengindikasikan suatu respon rantai molekul polimer terhadap panas sebagai salah satu bentuk energi kinetik. Nilai Tg dari epoksi resin adalah lebih besar 135°C[15,16]. Ketika suatu proses berada di bawah suhu Tg maka polimer akan menjadi getas dan menyerupai perilaku gelas karena rantai-rantai molekulnya membeku. Pada kondisi tersebut, molekul-molekul polimer tidak memiliki
energi termal yang cukup untuk melakukan pergerakan atau saling bergeser- menggelincir dan berputar sehingga pergerakan termal dari molekul polimer sangat lambat dan tidak terjadi perubahan volum spesifik atau densitas yang signifikan.
4.4 Analisa Pengaruh Penambahan Carbon Black FEF 550 terhadap Nilai Porositas
Material Pelat Bipolar
Porositas merupakan ruang atau daerah kosong yang terbentuk diantara material- material penyusun pelat bipolar. Porositas yang terbentuk dapat pula disebabkan oleh kehadiran gas lain yang masuk ke sistem sel tunam. Gas tersebut dapat berasal dari dalam sistem (ada komponen material yang menguap) maupun dari luar (adanya uap air dan gas). Dengan meningkatnya porositas maka akan menurunkan efisiensi dan performa sel tunam. Untuk itu presentase porositas diharuskan seminimal mungkin agar sesuai dengan karakteristik yang ditentukan DOE dan sel tunam dapat bekerja secara optimum.
Hasil pengujian porositas pada material komposit pelat bipolar dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Pengaruh Penambahan CB terhadap Porositas Pelat Bipolar
Sampel % CB FEF 550 % Grafit EAF Porositas (%)
A 0 100 2,96
B 2,5 97,5 1,89
C 5 95 2,44
D 7,5 92,5 3,66
E 10 90 2,39
Pada pengujian ini, porositas terbesar berada pada nilai 3,66% yaitu sampel pelat bipolar D. Sedangkan porositas terkecil berada pada nilai 1,89% yaitu sampel pelat bipolar B. Berdasarkan ketetapan DOE, prosentase porositas untuk pelat bipolar harus kurang dari 1%[9].Untuk itu, pelat bipolar yang dihasilkan belum dapat memenuhi kriteria
Porositas (%) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.96 1.89 2.44 3.66 2.39 0 2.5 5 7.5 10 %CB FEF 550
Gambar 5. Pengaruh Penambahan CB terhadap Porositas Pelat Bipolar
Porositas seharusnya mengalami penurunan seiring dengan penambahan carbon black. Penurunan porositas tersebut disebabkan oleh carbon black FEF 550 yang berukuran nano. Ukuran CB yang sangat kecil tersebut dapat mengisi celah-celah antara grafit sehingga dapat menurunkan nilai porositas dari pelat bipolar. Pada Gambar 4.7 partikel yang mempunyai ukuran lebih kecil dapat mengisi kekosongan dan menyisakan rongga yang lebih kecil.
Gambar 6. Skematik Perbedaan Ukuran Partikel: (a) Loose Compaction (b) High Compaction [17]
4.5 Analisa Permukaan Patahan Pelat Bipolar
Pengamatan terhadap permukaan patahan dari pelat bipolar yang telah mengalami perpatahan akibat dilakukan pengujian fleksural dengan menggunakan metode three point
patahan permukaan pelat bipolar dengan mengunakan FE-SEM dapat dilihat pada Gambar 7-11 dibawah ini.
Gambar 7. Pengamatan Foto Perpatahan Uji Fleksural Pelat Bipolar dengan FE-SEM (10.000x) dengan komposisi 0%CB FEF 550
Gambar 8. Pengamatan Foto Perpatahan Uji Fleksural Pelat Bipolar dengan FE-SEM (10.000x) dengan komposisi 2,5%CB FEF 550
Gambar 9. Pengamatan Foto Perpatahan Uji Fleksural Pelat Bipolar dengan FE-SEM (10.000x) dengan komposisi 5%CB FEF 550
Gambar 10. Pengamatan Foto Perpatahan Uji Fleksural Pelat Bipolar dengan FE-SEM (10.000x) dengan komposisi 7,5%CB FEF 550
Gambar 11. Pengamatan Foto Perpatahan Uji Fleksural Pelat Bipolar dengan FE-SEM (10.000x) dengan komposisi 10%CB FEF 550
Berdasarkan hasil pengamatan terhadap permukaan perpatahan pelat bipolar dengan menggunakan FESEM, terlihat bahwa pada sampel A, B, C, D dan E dengan kadar
carbon black FEF 550 sebesar 0%, 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10% permukaan patahan terlihat
merata dan masih terdapat aglomerat.
4.6 Perbandingan Karakteristik Pelat Bipolar dengan Penambahan Carbon Black FEF
550
Pelat bipolar yang dibuat pada penelitian ini menggunakan bahan berupa grafit EAF,
carbon black FEF 550, epoksi resin, dan hardener. Masing-masing pelat divariasikan
%wt carbon black FEF 550. Pada Tabel 6 terdapat perbandingan karakteristik masing-
Tabel 6. Perbandingan Karakteristik Pelat Bipolar Sampel %wt carbon black FEF 550 Densitas (gr/cm3) Porositas(%) Kekuatan Fleksural (MPa) Konduktivitas Listrik (S/cm) A 0 2,22 2,96 46,63 0,08 B 2,5 2,15 1,9 50,17 0,2 C 5 2,32 2,44 23,33 0,09 D 7,5 2,65 3,67 23,72 0,11 E 10 2,34 2,39 30,06 6,52
Dari hasil tersebut, densitas yang dihasilkan oleh seluruh pelat telah sesuai dengan standar DOE (kurang dari 5 gr/cm3). Untuk porositas belum dapat memenuhi standar
DOE (kurang dari 1%). Sedangkan untuk kekuatan fleksural, pelat C dan D adalah pelat yang kekuatannya berada di bawah nilai ketentuan dari standar yang ada (standar DOE lebih dari 25 MPa). Sementara untuk konduktivitas listrik, semua pelat yang dibuat tidak ada yang memenuhi kriteria yang ditetapkan oleh DOE (lebih dari 100 S/cm). Jika diambil nilai optimumnya, maka pelat E merupakan pelat dengan nilai terbaik dimana nilai densitasnya adalah 2,34 gr/cm3, porositas 2,39%, kekuatan fleksural 30,06 MPa, dan konduktivitas listriknya 6,52 S/cm.
5. Kesimpulan
Konduktivitas listrik terbesar dimiliki oleh pelat bipolar dengan 10%wt carbon black FEF 550 dan yang terkecil dimiliki oleh pelat bipolar dengan 0%wt carbon black FEF 550. Konduktivitas terbesar adalah 6,52 S/cm dan konduktivitas terkecil adalah 0,08 S/cm. Kekuatan fleksural tertinggi adalah 50,17 MPa yaitu pada pelat bipolar dengan 2,5%wt carbon black FEF 550 dan kekuatan fleksural yang paling rendah adalah pelat bipolar dengan 5%wt carbon black FEF 550 dengan nilai 23,33 MPa.. Nilai densitas terkecil adalah 2,15 gr/cm3 yang dimiliki oleh pelat bipolar dengan 2,5%wt carbon black FEF 550. Densitas terbesar adalah 2,65 gr/cm3 dimiliki oleh pelat dengan 7,5% wt carbon
black FEF 550. Persen porositas terkecil adalah 1,90% dan yang terbesar adalah 3,67%.
Persen porositas terkecil terjadi pada pelat bipolar dengan 2,5%wt carbon black FEF 550 dan yang terbesar adalah pada pelat bipolar dengan 7,5% wt carbon black FEF 550. Hasil
analisa permukaan perpatahan menggunakan FESEM menunjukkan bahwa masih terdapat
carbon black yang membentuk aglomerat. Hasil komposisi carbon black terbaik yaitu
pada komposisi 10% carbon black dan 90% grafit dimana nilai densitasnya adalah 2,34 gr/cm3, porositas 2,39%, kekuatan fleksural 30,06 MPa, dan konduktivitas listriknya 6,52 S/cm
Kepustakaan
[1] Weaver, G., World Fuel Cells - An Industry Profile with Market Prospects to 2010 1st ed. New York: Elsevier 234, 2002.
[2] Vishnyakov, V.M., Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Vacuum, 80(2006)1053- 1065. 80: p. 1053-1065, 2006.
[3] Du, L., Highly Conductive Epoxy/Graphite Polymer Composite Bipolar Plates in
Proton Exchange Membrane Fuel Cells., Chemical Engineering, University of Akron:
Ohio, 2008
[4] Chunhui Shen*, Zheng Wang and Mu., Theoretical Analysis of Conductivity for
Composite Bipolar Plate Pan The Open Fuel Cells Journal, , 2, 1-4, 2009
[5] Norman RH. In: Conductive rubber and plastics, New York: Elsevier, 1970. [6] B. Debelak, K.L., Carbon.p. 1727-1734, 2007
[7] Balberg, I., A comprehensive picture of the electrical phenomena in carbon black–
polymer composites. Carbon, 40: p. 139-143, 2002.
[8] Suherman, H., A.B. Sulong, and J. Sahari, Effect of the compression molding parameters on the in-plane and through-plane conductivity of carbon nanotubes/graphite/epoxy nanocomposites as bipolar plate material for a polymer
electrolyte membrane fuel cell. Ceramics International. 39(2): p. 1277-1284, 2013.
[9] Yeetsorn, R. Development of Electrically Conductive Thermoplastic Composites for
Bipolar Plate Application in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Department of
Chemical Engineering, University of Waterloo: Waterloo, Canada, 2010.
[10] Sadeli, Yunita. Pengaruh Variasi Ukuran Partikel 10% Carbon Black pada Pelat
Bipolar PEMFC dengan Grafit EAF. Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 29, 2011.
[11] Antunes,R, Oliveira,M, Ett, Gerhard and Ett, Volkmar. Carbon materials in composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells : A review of the
main challenges to improve electrical performance. Journal of Power Sources 196
p.2945-2961.
[12] Balberg, I., A comprehensive picture of the electrical phenomena in carbon black–
polymer composites. Carbon40: p. 139-143, 2002.
[13] Kirk Othmer. Encyclopedia of Chemical Technology, 4th edition Vol 6. New York: John Wiley, 1995
[14] Suherman, H., A.B. Sulong, and J. Sahari, Effect of the compression molding parameters on the in-plane and through-plane conductivity of carbon nanotubes/graphite/epoxy nanocomposites as bipolar plate material for a polymer
electrolyte membrane fuel cell. Ceramics International. 39(2): p. 1277-1284 , 2013.
[15] Goodman, Sydney H. Handbook of Thermoset Plastic 2nd edition. Noyes Publisher, 2010.
[16] Tadmor and Gogos. Polymer Processing. Wiley, 1979.
[17] Antunesa, R.A., M.C.L.d. Oliveirab, Gerhard, dan Volkmar, Carbon Materials in Composite Bipolar Plates for Polymer Electrolyte Membrane fuel cells: A review of The
Main Challenges to Improve Electrical Performance.Journal of Power Sources. 196 (6): p.2945-2961, 2010.
