Produksi Gas Hidrogen Serta Penerapannya Dalam Teknologi Fuel Cell

I.          PENDAHULUAN

1.      Latar Belakang

Sumber energi alternatif yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar utama telah banyak dikuasai oleh negara maju, sedangkan di Indonesia masih dalam taraf penelitian. Teknologi fuel cell yang menggunakan gas hidrogen sebagai bahan bakar, adalah teknologi yang ramah lingkungan dimana hasilnya hanya listrik, air, dan panas.

2.     Tujuan

1.  Mampu menghasilkan gas hidrogen yang dapat digunakan sebagai sumber energi pada teknologi fuel cell.

2.  Mampu membuat Alat sebagai tempat untuk penyimpanan hidrogen (hydrogen storage) sederhana.

            II.        TINJAUAN PUSTAKA

1.      Hidrogen

Hidrogen adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomoratom 1. Pada suhu dan tekana standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia.

Hidrogen adalah energi sekunder sehingga tetap harus diolah dari sumber energi lain, di antaranya selain gas alam adalah gasifikasi batu bara, elektrolisa air, elektrolisa metanol yang masih relatif mahal, terdapat pula perubahan biogas metan yang masih memerlukan energi panas. Untuk mendapatkan terobosan baru proses produksi gas hidrogen, proses bioteknologi, baik itu secara fotosintesis maupun fermentasi adalah pilihan terbaik untuk dapat menghasilkan hidrogen dengan tingkat kemurnian yang tinggi. Sejumlah spesies jasad renik dari berbagai taksa dan tipe fisiologi mampu menghasilkan bio-hidrogen.

Gas hidrogen ini dapat dihasilkan oleh beberapa bakteri misalnya Enterobacter aerogenes, Clostridium butyricum, Bacillus pumilus, dll. E. aerogenes yang diisolasi langsung dari limbah biodiesel mampu memanfaatkan berbagai macam substrat, baik itu substrat murni dan sederhana, seperti: glukosa gliserol, dll maupun senyawa yang lebih kompleks dari limbah, misalnya: molases, pati singkong, nira aren, shorgum dan limbah biodiesel.

2.      Fuel cell (sel bahan bakar)

Fuel cell adalah perangkat elektronika yang mampu mengonversi perubahan energi bebas suatu rekasi elektronikia menjadi energi listrik. Dengan fuel cell, bahan/senyawa kimia -sebagai sumber energi- akan terus ada selama kita mengisi bahan bakar fuel cell tersebut. senyawa kimia yang paling banyak dipakai dalam fuel cell adalah hidrogen  dan oksigen. kedua senyawa tersebut dipilih karena kelimpahannya di alam sangat banyak.

Layaknya sebuah baterai, segala jenis fuel cell memiliki elektroda positif dan negatif atau disebut juga katoda dan anoda. Reaksi kimia yang menghasilkan listrik terjadi pada elektroda. Selain elektroda, satu unit fuel cell terdapat elektrolit yang akan membawa muatan-muatan listrik dari satu elektroda ke elektroda lain, serta katalis yang akan mempercepat reaksi di elektroda. Umumnya yang membedakan jenis-jenis fuel cell adalah material elektrolit yang digunakan. Arus listrik serta panas yang dihasilkan setiap jenis fuel cell merupakan produk samping reaksi kimia yang terjadi di katoda dan anoda.

         Cara kerja fuel cell :

• Pertama, anoda sebagai kutub negatif fuel cell. Anoda merupakan elektroda yang akan mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen sehingga elektron tersebut dapat digunakan di luar sirkuit. Pada materialnya terdapat saluran-saluran agar gas hidrogen dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis.
• Kedua, katoda sebagai kutub elektroda positif fuel cell yang juga memiliki saluran yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan dalam mengalirkan elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga elektron-elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.
• Katalis yang digunakan untuk memfasilitasi reaksi oksigen dan hidrogen. Katalis umumnya terbuat dari lembaran kertas karbon yang diberi selapis tipis bubuk platina. Permukaan katalis selalu berpori dan kasar sehingga seluruh area permukaan platina dapat dicapai hidrogen dan oksigen.

             III.       ALAT DAN BAHAN

Alat	Bahan
-  Botol kaca + tutup            -  Botol plastik + tutup            -  Pentil ban bekas 2 buah            -  Selang berdiameter 0,5 cm             -  Knock untuk pompa pada sepeda             -  Gelas beker             -  Alat fuel cell	-  Alumunium foil 0.8 gram -  NaOH 3 molar 50-100 mL

             IV.     CARA KERJA

A.      Produksi gas Hidrogen

    1.      Menyusun alat tempat penyimpanan gas hidrogen.

    2.      Isi botol kaca dengan larutan NaOH 3 M sebanyak 50 mL

    3.      Menimbang alumunium foil sebanyak 0.8 gram, memasukkan alumunium foil ke dalam  botol yang berisi NaOH. Tutup botol dengan cepat (agar gas tidak keluar).

    4.      Menutup dan melepas knock pada botol plastik jika botol sudah mengembang (terisi oleh gas).

B.      Pengujian gas hidrogen dengan alat fuel cell

     1.      Memasang kembali knock pada tutup botol yg berisi gas.

     2.      Menyalakan alat penghisap oksigen pada fuel cell.

     3.      Menyambungkan alat fuel cell dengan selang.

     4.      Menekan knock agar gas dapat keluar sambil botol plastik ditekan.

     5.      Amati apa yang terjadi.

           V.    HASIL DAN PEMBAHASAN

1.      Hasil pengamatan

Uji gas hidrogen pada fuel cell :

-          Kincir berputar

-          Lampu menyala redup

2.      Pembahasan

Pada percobaan kali ini, dilakukan produksi dan pengujian gas hidrogen dengan menggunakan hydrogen storage (tempat penyimpanan hidrogen) sederhana dan alat fuel cell. Percobaan ini bertujuan untuk menguji apakah gas hidrogen dapat berperan sebagai sumber energi yang digunakan pada sistem fuel cell dalam menghasilkan listrik. Reaksi antara 0.8 gram alumunium foil dengan NaOH 3 M 100 mL menghasilkan gas hidrogen dengan tekanan yang hebat. Gas hidrogen yang terbentuk kemudian disimpan di dalam hydrogen storage. Harus dipastikan bahwa hydrogen storage yang digunakan harus rapat sehingga tidak ada celah bagi gas hidrogen untuk keluar (adanya kebocoran). Berdasarkan hasil pengamatan, hydrogen storage yang digunakan berhasil menampung seluruh gas hidrogen hasil reaksi. Hal ini dapat diketahui dari botol plastik sebagai hydrogen storage mengembang ketika reaksi berlangsung.

Pada pengujian gas hidrogen dengan alat fuel cell, dapat diamati bahwa gas hidrogen yang dialirkan dapat memutar kincir, namun lampu hanya menyala redup. Gas hidrogen yang dihasilkan harus membuat kincir berputar dan juga membuat lampu menyala. Faktor yang membuat lampu menyala redup adalah penggunaan botol plastik sebagai tempat untuk menyimpan gas yang dihasilkan. Sifat dari botol plastik yang kaku tidak dapat membuat gas hidrogen mengalir secara sempurna, sehingga watt yang dihasilkan kecil dan tidak cukup untuk membuat lampu menyala terang. Namun, Kincir yang bergerak serta lampu yang menyala walaupun tidak ternag, cukup menunjukkan bahwa gas hidrogen dapat digunakan sebagai sumber energi untuk dapat menghasilkan listrik.

Prinsip kerja alat fuel cell adalah proses elektrokimia di mana hidrogen dan oksigen digunakan sebagai bahan bakar. Komponen utama fuel cell terdiri dari elektrolit berupa lapisan khusus yang diletakkan di antara dua buah elektroda. Proses kimia yang disebut pertukaran ion terjadi di dalam elektrolit ini dan menghasilkan listrik serta air panas. fuel cell menghasilkan energi listrik tanpa adanya pembakaran dari bahan bakarnya, sehingga tidak ada polusi.  

Hidrogen sebagai sumber energi alternatif akan mampu menggantikan pemakaian bahan bakar fosil yang dapat mendekati emisi nol, yaitu emisi tanpa ada gas/partikel hidrokarbon tanpa CO, CO₂, CH.

VI.                KESIMPULAN

Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa gas hidrogen dapat digunakan sebagai sumber energi pada teknologi fuel cell. Hydrogen Storage yang digunakan memengaruhi daya listrik yang dihasilkan.

 

VII.              DAFTAR PUSTAKA

Wilkinson, dan cotton. 2013. Kimia Anorganik Dasar. Jakarta : Penerbit UI Press

http://id.wikipedia.org/wiki/Sel_bahan_bakar diakses pada tanggal 25 september 2013 pukul 20.00 WIB

Produksi Gas Hidrogen dari Alumunium

I.                   PENDAHULUAN

1.         Latar belakang

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menjumpai bahan-bahan yang memiliki kandungan hidrogen seperti Air, Minyak Bumi, dan Bahkan Kotoran Manusia/Hewan. Praktikum kali ini akan mencoba membuat gas hidrogen murni yang berasal dari logam Alumunium yang direaksikan dengan caustic soda (NaOH).

Logam Alumunium dipilih karena rekasinya yang kuat serta dalam waktu yang  singkat menghasilkan gas hidrogen jika direaksikan dengan basa kuat, diantaranya natrium hidroksida.

Ada beberapa metode pembuatan gas hidrogen yang telah kita kenal. Namun semua metode pembuatan tersebut prinsipnya sama, yaitu memisahkan hidrogen dari unsur lain dalam senyawanya. Tiap-tiap metode memiliki keunggulan dan kekurangan masing-masing. Tetapi secara umum parameter yang dapat dipertimbangkan dalam memilih metode pembuatan H₂ adalah biaya, emisi yang dihasilkan, kelaikan secara ekonomi, skala produksi dan bahan baku.

Pembuatan gas hidrogen cukup mudah tapi harus berhati-hati karena kesalahan dapat mengakibatkan gas meledak karena sifatnya yang mudah terbakar dan mudah meledak.

2.  Tujuan Praktikum

2.1  Memproduksi gas hidrogen dengan metode sederhana

2.2  Menghitung volume gas hidrogen yang dihasilkan

II.                 TINJAUAN PUSTAKA

1.      Hidrogen

Hidrogen berasal dari bahasa latin hydrogenium atau bahasa Yunani hydro yaitu air dan genes yang berarti pembentukan. Hidrogen telah digunakan bertahun-tahun sebelum akhirnya dinyatakan sebagai unsur yang unik oleh Cavedish pada tahun 1776. Hidrogen diperkirakan membentuk komposisi lebih dari 90% atom-atom di alam semesta (sama dengan tiga perempat masa alam semesta). Unsur ini ditemukan di bintang-bintang dan memainkan peranan yang penting dalam memberikan sumber energi jagad raya melalui reaksi-reaksi proton-proton dan siklus karbon-nitrogen. Proses fusi atom-atom hydrogen menjadi helium di matahari menghasilkan jumlah energi yang sangat besar. Hydrogen dalam bnetuk cair sangat penting untuk bidang penelitian suhu rendah (cryogenics) dan studi uperkonduktivitas karena titik cairnya hanya 20 derajat di atas 0 Kelvin (Porwoko, 2001: 321).

Hydrogen adalah unsur tersederhana terdiri dari satu proton dan satu elektron, dan paling melimpah di alam semesta. Di bumi kemelimpahannya ketiga setelah oksigen dan silikon sekitar 1% massa semua unsur di bumi. Sebagian besar hydrogen di bumi ada sebagai air. Karena kepolarannya dapat berubah dengan mudah antara hidrida (H ), atom (H) dan proton (H+), hydrogen juga membentuk berbagai senyawa dengan banyak unsur termasuk oksigen dan karbon. Oleh karena itu, hydrogen sangat penting dalam kimia (Saito, 2008: 55).

Hidrogen adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Hidrogen atau H_­2 mempunyai kandungan energi per satuan berat tertinggi, dibandingkan dengan bahan bakar manapun.

2.      Alumunium

Alumunium termasuk unsur yang banyak terdapat di kulit bumi. Umumnya Alumunium ditemukan bergabung dengan silikon dan oksigen, seperti dalam alumininosilikat, yang terdapat dalam karang sebagai granit dan tanah liat. Logam aluminium berwarna putih, mengkilat, mempunyai titik leleh tinggi yaitu sekitar 660oC, moderat lunak dan lembek lemah jika dalam keadaan murni, tetapi menjadi keras dan lunak jika dibuat paduan dengan logam-logam lain. Densitasnya dangat ringan sebesar 2,73 gcm-3. Alumunium merupakan konduktor panas dan konduktor listrik yang baik, namun sifat ini lebih rendah dibandingkan dengan sifat konduktor tembaga. Atas dasar sifat-sifat tersebut, logam aluminium sangat banyak manfaatnya. Dalam industri rumah tangga, misalnya untuk peralatan masak/dapur, dalam induustri makanan misalnya untuk pembungkus makanan, kaleng minuman, pembugkus pasta gigi dan lain sebagainya. Serbuk Alumunium terbakar dalam api menghasilkan debu awan Alumunium oksida.

III.              ALAT DAN BAHAN

1. Botol kaca

2. Balon

3. Beaker glass sebagai pendingin botol

4. Benang

5. Air

6. Caustic soda

7. Aluminium foil

IV. LANGKAH KERJA

 
1. Timbang Aluminium foil masing-masing dengan berat  0.1 g; 0.2 g ;0.4 g; 0.8 g

2. Isi Beaker glass dengan air sampai 1/2 nya.

3. Isi botol dengan caustic soda (NaOH) 50 ml

4. Masukkan Aluminium foil 0.1 g ke dalam botol.

5. Tutuplah botol dengan balon.

6. Rendamlah botol dalam air pada Beaker glass yang telah diisi air.

7. Amati apa yang terjadi

8. Setelah balon melembung besar, lepaslah dari botol dan ikatlah dengan benang.

9. Ulangi percobaan pertama dengan Aluminium foil 0.2 g ;0.4 g; 0.8 g masing-masing menggunakan NaOH 50 ml.

10. Ukur keliling setiap balon, hitung volume gas hidrogen yang dihasilkan.

11. Uji balon dengan membasahi tisu yang telah dipasang pada balon dengan etanol, kemudian tisu tersebut dibakar dengan api.

12. Lalu amati apa yang terjadi.

V. HASIL PENGAMATAN DAN PERHITUNGAN

Reaksi Aluminium foil dengan NaOH menghasilkan produk berupa gas hidrogen.

Dengan persamaan reaksi : 2Al_(s) + 6H₂O   2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

No.	Aluminium Foil	Keliling balon
1	0.1 g	19.2 cm
2	0.2 g	21 cm
3	0.4 g	37.5 cm
4	0.8 g	28.6 cm

 _{Volume gas hidrogen secara teoritis}

_{n Al= 0.1/2.7= 3.7 mmol}

_{n NaOH= 2x50=100 mmol} 

2Al_(s)            + 6H₂O  →  2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

_{m= 3.7mmol 100mmol         -                     -                                                                                          r= 3.7mmol   11.1mmol        3.7mmol     5.55mm0l} 

_{s= -                 88.9mmol       3.7mmol     5.55mmol}

_{v= n x STP}

  _{=5.55 x 22.4}

  _{=0.124 L (Al 0.1gr)}

_{n  Al  = 0.2/2.7= 7.4}                                                  

2Al_(s)            + 6H₂O  →  2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

_{m= 7,4mmol 100mmol         -                     -                                                                                          r= 7.4mmol   22.2mmol        7.4mmol      11.1mm0l} 

_{s= -                 77.8mmol       7.4mmol       11.1mmol}

_{v= n x STP}

  _{=11.1 x 22.4}

  <sub>=0.248 L (Al 0.2 gr)

3n Al = 0.4/2.7= 14.8mol</sub>

2Al_(s)            + 6H₂O  →  2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

_{m= 14.8mmol 100mmol         -                     -                                                                                        r= 14.8mmol   44.4mmol        14.8mmol     22.2mm0l} 

_{s= -                   55.6mmol       14.8mmol     22.2mmol}

_{v= n x STP}

  _{=22.2 x 22.4}

  <sub>=0.497 L (Al 0.4gr)


nAl = 0,8/2.7=  29.6mm0l</sub>

2Al_(s)            + 6H₂O  →  2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

_{m= 29.6mmol 100mmol         -                     -                                                                                        r= 29.6mmol   88.8mmol        29.6mmol     44.4mm0l} 

_{s= -                 11.2mmol       29.6mmol     44.4mmol}

_{v= n x STP}

  _{=44.4 x 22.4}

  _{=0.994 L (Al 0.8gr)}

Volume gas hidrogen pada percobaan

1.       – K   = 2

19.2 = 2

      r = 3.054 cm

- V = 4/3³

          = 119.36 mL

      = 0.119 L

2.       - K = 2

21 = 2

   r = 3.341 cm

- V = 4/3³

         = 156.26 mL

     = 0.156 L

3.       – K   = 2

28.6 = 2

      r = 4.55 cm

- V = 4/3³

         = 394.73 mL

      = 0. 394 L

4.       –  K   = 2

37.5  = 2

       r = 5.966 cm

- V = 4/3³

         = 889.8 mL

    = 0.889 L

Kesalahan literatur

1.       |0.124 - 0.119/0.124| x 100% = 4%

2.       |0.248 – 0.156/0.248| x 100% = 37%

3.       |0.497 - 0.394/0.497| x 100% = 20%

4.       |0.994 – 0.889/0.994| x 100% = 10%

 

 _-

_{VI. PEMBAHASAN}

         Ketika sepotong aluminium foil dicelupkan ke dalam larutan natrium hidroksida, terbentuk gas yang  tidak berwarna dan tidak berbau. Gas inilah yang dinamakan gas hidrogen. Hal ini terjadi karena logam aluminium yang bersifat amfoter. Mengapa dikatakan amfoter? Suatu zat bersifat amfoter berarti zat tersebut dapat bersifat asam saat direaksikan dengan basa kuat, misalnya NaOH. Dapat bersifat basa apabila zat tersebut direaksikan dengan asam kuat, contohnya asam khlorida, HCl. Reaksi antara asam dengan basa inilah yang menyebabkan adanya gas, yaitu gas hidrogen. Selain itu. Reaksi logam dengan asam akan menghasilkan garam dan hidrogen. Persamaan reaksinya adalah :

2Al_(s) + 6H₂O  →  2Al (OH)_{3 +} 3H_2(g)

Partikel-partikel gas hidrogen melayang-layang sehingga menimbulkan adanya tumbukan antara partikel gas hidrogen dan dinding balon. Tumbukan ini mengakibatkan adanya dorongan yang kemudian menghasilkan tekanan. Partikel-partikel ini menyebar ke segala arah, menekan dinding balon menyebabkan gas tersebut mengisi semua ruang dalam balon sehingga balon dapat mengembang. Mengembangnya balon membuktikan adanya gas sebagai hasil reaksi.

        Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan, jumlah massa alumunium berpengaruh terhadap lamanya reaksi, besarnya tekanan dan produksi gas hidrogen. Hal ini dapat diamati dari balon yang  terbentuk. Volume dan tekanan gas meningkat seiring dengan bertambahnya massa dari alumunium foil. Dari hasil pengamatan, keliling balon  dari reaksi  0.1 g alumunium foil dengan 50 ml NaOH 1 M adalah 19.2 cm. Jika dibandingkan dengan massa alumunium foil 0.2 g; 0.4 g; 0.8 g secara berturut-turut adalah 21 cm; 37.5 cm; 28.6 cm. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar keliling balon, semakin besar pula volume  gas  yang dihasilkan. Yaitu, 119.36L; 156.26 L; 394.73 L; dan 889.8 L secara berurutan dari 0.1 g hingga 0.8 g.

           Reaksi antara aluminium dengan NaOH merupakan jenis reaksi eksoterm. Hal ini dapat dibuktikan dengan memegang erlenmeyer yang terasa panas pada saat terjadinya reaksi jika dibandingkan dengan sebelum bereaksi.

          Adanya ledakan pada balon yang diuji dengan api membuktikan bahwa gas tersebut adalah gas hidrogen, karena sifatnya sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H₂ di udara bebas. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l)

Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api.

_{VII. KESIMPULAN}

_{Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :}

_{–     Gas hidrogen dapat dihasilkan dari reaksi alumunium dengan NaOH}

_{–     Semakin besar massa alumunium foil yang digunakan, semakin besar volume gas yang dihasilkan}

_{–     Volume gas hidrogen optimum adalah 889.8 L dari 0.8 g alumunium foil} 

_{VIII. DAFTAR PUSTAKA}

_{Wilkinson, dan cotton. 2013. Kimia Organik Dasar. Jakarta : Penerbit UI Press}

_{http://id.wikipedia.org/wiki/Hidrogen diakses pada tanggal 18 september 2013 pukul 22.00}

_{IX. LAMPIRAN}

_{Balon yang berisi gas gas hidrogen dari reaksi alumunium foil dengan massa yang bervariasi}