## MODIFIKASI NAFION DAN PENGARUHNYA TERHADAP DIFUSI CH 3 OH SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT DIRECT METHANOL FUEL CELL
Eniya Listiani Dewi 1 dan Rochmadi 2
1 Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Material (P3TM) - BPPT Jl. M. H. Thamrin 8, Jakarta 10340
2 Jurusan Teknik Kimia, FT - UGM Jl. Grafika 2, Yogyakarta 55281

## ABSTRAK

## MODIFIKASI NAFION DAN PENGARUHNYA TERHADAP DIFUSI CH 3 OH SEBAGAI
ELEKTROLIT PADAT DIRECT METHANOL FUEL CELL . Nafion membran dimodifikasi secara fisik dengan menambahkan partikel penyerap air yaitu SiO 2 dan P 2 O 5 pada larutan Nafion dalam berbagai konsentrasi kemudian di recasting kembali. Morfologi permukaan membran dianalisis dengan SEM , dan diketahui bahwa partikel terdistribusi dengan merata dan mempunyai spesifik struktur. Transport CH 3 OH dan air pada membran dianalisis berdasarkan konsentrasi difusi CH 3 OH dan daya serap air. Partikel SiO 2 dan P 2 O 5 menaikkan daya serap air pada membran dan sekaligus mampu menurunkan permeabilitas CH 3 OH. Permeabilitas CH 3 OH pada Nafion termodifikasi rata-rata 10 -6 cm 2 /s. Penambahan larutan elektrolit pendukung (KCl) pada CH 3 OH sebagai bagian dari bahan bakar serta modifikasinya dengan partikel diatas juga mampu menurunkan permeabilitas membran hingga 10 -7 cm 2 /s. Kesimpulan hasil riset ini sangat mendukung penyelesaian problem kontrol air dalam membran untuk mencegah kekeringan dan CH 3 OH crossover pada Direct Methanol Fuel Cell .
Kata kunci : Fuel cell, methanol crossover , permeabilitas nafion, proton exchange membrane

## ABSTRACT
A CH 3 OH DIFFUSION EFFECT ON MODIFIED NAFION AS SOLID ELECTROLYTE OF DIRECT METHANOL FUEL CELL. Nafion films have been modified by the addition of absorber particles such as SiO 2 and P 2 O 5 then were recasted. The morphology of the surface of membrane was analyzed by SEM where the particles were distributed and have a specific structure with rough surface. Methanol transportations and water uptake were determined by methanol permeability and swelling of membrane. Particle of SiO 2 and P 2 O 5 have affected to increase water swollen of membrane and decrease permeability of CH 3 OH. Average diffusion coefficients of methanol in Nafion membranes were 10 -6 cm 2 /s. Modified membrane and the addition of supporting electrolyte (KCl) into the fuel have made some decreasing of permeability up to 10 -7 cm 2 /s. These results are important in relation to the problem of water management and methanol crossover in direct methanol fuel cells.
Key words : Fuel cell, methanol crossover, permeabilitas nafion, proton exchange membrane

## PENDAHULUAN
Fuel cell adalah perangkat elektrokimia yang secara langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik dan panas selama terdapat bahan bakar (seperti hidrogen, hidrokarbon, alkohol, gas alam) dan oksidator (yaitu oksigen). Fuel cell atau sel tunam sangat dinantikan sebagai pembangkit listrik dalam berbagai aplikasi seperti generator statis, alat transportasi dan berbagai peralatan elektronik. Sekarang ini pemilihan bahan bakar difokuskan pada bahan bakar cair. Proton Exchange Membrane Fuel Cell ( PEMFC ) termasuk didalamnya adalah jenis Polymer Electrolyte Fuel Cell ( PEFC ) dan Direct Methanol Fuel Cell ( DMFC ) adalah fuel cell yang bekerja dengan bahan bakar cair dan gas
yaitu dengan campuran CH 3 OH dan air serta udara merupakan jenis fuel cell yang paling dinantikan sebagai pembangkit tenaga listrik dalam otomotif dan elektronika. Penelitian pada DMFC sangat gencar digeluti, karena suhu operasional yang lebih rendah, menggunakan bahan bakar cair, serta lebih aman dibandingkan dengan PEFC yang berbahan bakar hidrogen. Walaupun demikian, terdapat kendala dalam DMFC yaitu rapat tenaga rendah, efisiensi bahan kabar rendah karena reaksi kinetik yang rendah dan pengaruh daya permeabilitas CH 3 OH atau crossover [1].
Struktur dari PEMFC adalah terdapat membran polimer ( proton exchange polymer seperti ionomer
Modifikasi Nafion dan Pengaruhnya terhadap Difusi CH 3 OH Sebagai Elektrolit Padat Direct Methanol Fuel Cell (Eniya Lisyiani Dewi)
perfluorinated sulfonic acid , Nafion) yang dijepit antara anoda dan katoda untuk membentuk Membrane Electrode Assembly ( MEA ). MEA kemudian dijepit dengan lempengan bipolar yang merupakan saluran hidrogen dan oksigen. Pengembangan teknologi pada fuel cell terfokus untuk meningkatkan kemampuan katalis anoda untuk mengurangi overpotential , peningkatan performa membran serta peningkatan reaktifitas katalis katoda terhadap gangguan crossover bahan bakar yang berpindah dari anoda ke katoda [1,2]. Struktur elektroda yang mengandung katalis dan desain dari fuel cell sangat mempengaruhi efisiensi cell dan biaya manufaktur, misalnya kontrol kandungan air, metode pendinginan, metode pemasangan cell secara seri, suhu operasional dan reaktornya. Hal terpenting dalam mendisain fuel cell adalah pengaturan kelembaban dan kandungan air dalam cell ( water management ), metode pendingin, metode penyusunan rangkaian MEA secara seri, suhu operasional, penggunaan material dan sebagainya [2]. Kendala manufaktur fuel cell salah satunya adalah mahalnya elektrolit padat untuk MEA , sehingga penelitian banyak difokuskan pada pengembangan jenis polimer elektrolit yang dipakai yaitu modifikasi polimer membran yang mengandung fluoride (Nafion ( perfluorinated sulfonic acid ionomer )), non-fluoride (sejenis hidrokarbon) yang murah serta polimer suhu tinggi seperti jenis polysulfone [3,4], poly(ether ether ketone ) [5], dan polyphenylene oxide [6].
Dalam teknologi penggunaan material polimer sebagai elektrolit, telah banyak dikenal polielektrolit membran pada sistem elektrolisis air, sensor, modifikasi elektroda, baterai serta fuel cell [7-9]. Polielektrolit terbagi menjadi sedikitnya 3 jenis polielektrolit yaitu yang mengandung anion-SO 3 , kation-N dan kation-S, dimana pada masing-masing jenis terdapat berbagai ion seperti Co(bpy) 3 2+ , Ru(NH 3 ) 6 2+ , Os(bipy) 3 2+ [10-12], Fe(bpy) 3 2+ ,
Fe(CN) 6 3- , Fe(CN) 6 4- [7,9]. Sedangkan polielektrolit yang paling populer digunakan dalam fuel cell adalah dari jenis Teflon yang tersulfonasi (Teflon-SO 3 ) yang disebut Nafion . Struktur Nafion terdiri dari linier backbone dari jenis rantai fluorocarbon sebagai bagian hidropobik dan rantai ethylether grup dengan kation asam sulfat sebagai bagian hidrofilik.
Nafion mempunyai kelebihan dalam selektifitas ion transfer ( Ion Exchange Capacity / IEC 0,91 mmol/g), konduktivitas ion tinggi (0,05~0,14 S/cm) serta mempunyai daya tahan kimiawi. Meskipun Nafion adalah membran yang mahal, namun kedudukannya masih belum tergantikan dalam PEFC . Untuk pemakaian Nafion dalam DMFC , membran tidak optimal membendung CH 3 OH ( crossover ), yaitu karena adanya transfer proton yang harus terangkut dengan ikatan air pada bagian hidrofilik ( ion rich ), maka CH 3 OH juga turut terdifusi ( electro osmotic drag ) ke katoda, dikarenakan sifat moment dipole yang sama antara CH 3 OH dengan air [13,14]. Serta mudah terdehidrasi pada suhu tinggi (>130 o C), yang mengakibatkan berkurangnya
depolarosasi dan daya konversi sehingga menurunkan performa fuel cell .
Untuk mengatasi hal tersebut diatas, diperlukan pengubahan pada konstruksi MEA , dimana salah satu cara yang ditempuh dalam penelitian kali ini adalah dengan mengubah struktur pada Nafion sehingga dapat mereduksi daya permeabilitas bahan bakar cair yang melewati membran sekaligus mempunyai kelembaban tinggi pada suhu tinggi.
Metode penambahan partikel penyerap air pada membran sehingga menurunkan permeabilitas telah diteliti [15], dan untuk menaikkan kelembaban dalam membran ditambahkan Pt atau metal oxide sebagai penghasil air juga dipelajari [16]. Maka pada penelitian ini, dikembangkan metode pengontrol kandungan air, dimana dijelaskan pengaruh partikel SiO 2 dan P 2 O 5 terhadap permeabilitas membran Nafion yang ditempatkan dalam konsentrasi CH 3 OH yang berbeda serta pengaruh penambahan supporting elektrolit (KCl) dalam CH 3 OH.

## METODE PERCOBAAN

## Pelarutan dan Modifikasi Nafion Film
Membran Nafion 117 merupakan produksi dari DuPont (Wilmington, DE, USA) dilarutkan dengan metode yang digunakan oleh Arimura [15] dan dengan sedikit modifikasi seperti pada penelitian sebelumnya [17] sebagai berikut; Nafion 117 film 5 g dicampur dengan 90 mL etanol/air (50/50), dalam autoclave dengan kondisi suhu 230 o C dan tekanan 50 Bar selama 4 jam untuk 5 wt% hasil larutan. Untuk pembuatan 10 wt% dan 20 wt% disesuaikan dengan barat Nafion yang akan dilarutkan.
Metode penambahan aditif dan recasting membran menggunakan cara praktis seperti yang dijelaskan sebelumnya [15,18] dengan sedikit modifikasi perubahan suhu pengeringan seperti pada laporan sebelumnya [19] antara lain; 0,15 gram SiO 2 atau P 2 O 5 dilarutkan dalam 2 mL air panas dan dicampur dengan 4,5 mL dimethyl formamide ( DMF ), kemudian diaduk dengan magnetic stirer selama 3 menit.
Kemudian 9 mL larutan Nafion 10 wt% ditambahkan dan diaduk kembali selama 2 menit, di casting dalam petridish . Larutan dikeringkan selama 12 jam dalam suhu 100 o C, dilanjutkan dengan pengeringan dalam vacuum selama 6 jam dalam suhu 130 o C. Untuk memudahkan pengelupasan, membran dalam petridish dapat direndam dalam aquadest kemudian membran dikeringkan dalam suhu 60 o C sampai berat membran tidak berubah. Analisis spektroskopi menggunakan FT-IR Bioradescalibur SPS 3000 (resolusi 16 cm -1 metode Brisch ) menunjukkan membran Nafion termodifikasi tidak ada perubahan struktur setelah di recasting kembali dibandingkan dengan membran Nafion semula.

## Observasi Morfologi dan Permeabilitas Membran
Analisis permukaan dan cross section membran menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM ) JEOL5310LV.
Untuk mengetahui daya serap air dan CH 3 OH dalam membran, sampel membran 1~3 dicelupkan dalam masing-masing larutan aquadest dan CH 3 OH dalam berbagai kondisi selama semalam kemudian dikeringkan. Hasil timbangan dalam kondisi dry (sebelum dicelupkan) dan wet (setelah dicelupkan dan dikeringkan permukaannya) terlihat seperti pada Tabel 1.
Permeabilitas CH 3 OH pada membran diukur dengan cell difusi larutan [19]. Cell terdiri dari kotak gelas pada kedua sisi yang diisi larutan 500 mL dan ditengahnya terdapat penjepit membran yang dibuat dari stainless steel berdiameter 23 mm. Sebelum membran dijepit, terlebih dahulu direndam dalam aquadest selama 5 jam. Larutan diputar dengan magnetic stirrer untuk 6 jam pengambilan sampel. Cell A diisi dengan larutan CH 3 OH dengan konsentrasi 1 M, 3 M dan 10 M, sedangkan cell B diisi dengan aquadest . Densitas masing-masing larutan diukur dengan piknometer tiap 10 menit, 30 menit dan 60 menit. Konsentrasi CH 3 OH yang menembus membran dan sampai pada cell B, dihitung sesuai dengan teori berikut [13,20]:
C B ( t ) = C A ( t - t 0 ) (1) A DK V B L C B ( t ) = C A ( t - t 0 ) (1) A DK
V B L ......................... (1)
Dari persamaan diatas, C A dan C B adalah konsentrasi CH 3 OH pada masing-masing cell , V adalah volume larutan (500 mL), A dan L adalah luas penampang (19,6 cm 2 ) dan ketebalan membran, D , K adalah difusi CH 3 OH dan koefisian parsial. Pada persamaan tersebut D dalam membran dihitung konstan dan K tidak berubah menurut konsentrasi, jadi DK dilihat sebagai angka permeabilitas membran. Permeabilitas Nafion 117 dalam laporan J. Won, adalah 2,86 x 10 -6 cm 2 /s [13].

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Morfologi Permukaan Membran
Larutan Nafion/etanol 10 wt% yang didapat dengan cara melarutkan film, lebih mudah untuk mendapatkan konsentrasi yang tinggi dari pada
menggunakan larutan komersial 5 wt%. Oleh karena itu ketebalan membran dengan mudah dapat dikontrol. Untuk analisis membran, 10 wt% larutan Nafion blank (tanpa tambahan aditif) di recasting dengan proses seperti yang dijelaskan dan didapat ketebalan 210  m, disebut membran 1. Sedangkan untuk Nafion yang ditambahkan aditif SiO 2 dan P 2 O 5 , disebut membran 2 dan membran 3, ketebalan yang didapat adalah 140  m dan 100  m (Gambar 1). Nafion termodifikasi SiO 2 dan P 2 O 5 , menghasilkan membran yang masing-masing berwarna sedikit kuning dan putih, terutama untuk yang beraditif P 2 O 5 dengan kasat mata dan jika diraba permukaannya lebih higroskopis (Gambar 1).
Dari Gambar 2 dapat dilihat morfologi membran Nafion termodifikasi dengan SiO 2 and P 2 O 5 . Morfologi pada masing-masing membran terlihat spesifik, pada Nafion blank terlihat rata (data tidak ditampilkan) namun pada Nafion berpartikel mempunyai struktur yang spesifik dan terlihat permukaannya kasar dengan adanya partikel silika (Gambar 2a). Sedangkan permukaan Nafion yang termodifikasi dengan P 2 O 5 (Gambar 2c) tampak berporos disebabkan oleh partikel P 2 O 5 yang banyak menyerap air dan meninggalkan lubang bekas serapan air saat analisis dengan SEM . Dan melalui hasil cross section dapat disimpulkan bahwa modifikasi Nafion dengan SiO 2 walau terlihat permukaan sedikit tidak rata, namun hal ini tidak mengakibatkan porositas (Gambar 2b) dibandingkan dengan penambahan P 2 O 5 yang mengakibatkan membran mempunyai porositas tertinggi.

## Penyerapan Larutan
Dari hasil uji serap, diketahui bahwa membran 3 mempunyai daya serap yang tinggi dari pada Nafion blank 1, namun pada membran dengan aditif SiO 2 terjadi penurunan persentase penyerapan air
Gambar 1 . Membran nafion , nafion /SiO 2 dan nafion /P 2 O 5 (a) (b) (c) (d)
Gambar 2 . Scanning Electron Microscope ( SEM ) dari Nafion termodifikasi dengan partikel SiO 2 (a-b) dan P 2 O 5 (c-d).
Modifikasi Nafion dan Pengaruhnya terhadap Difusi CH 3 OH Sebagai Elektrolit Padat Direct Methanol Fuel Cell (Eniya Lisyiani Dewi)
karena SiO 2 tidak mempunyai daya serap yang tinggi pada permukaan membran. Daya serap membran terhadap larutan semakin tinggi seiring dengan kenaikan konsentrasi CH 3 OH. Karena kemampuan serap CH 3 OH maksimal adalah 30% untuk tidak mempengaruhi manufaktur fuel cell [3], dengan demikian pembesaran membran 1sampai dengan membran 3 tidak berefek pada manufaktur. Bisa disimpulkan juga bahwa membran dengan partikel aditif mampu menyerap larutan lebih banyak dibandingkan dengan membran yang tidak termodifikasi tanpa harus mempengaruhi pembengkakan membran.
Dari Tabel 1, penambahan KCl sebagai elektrolit pendukung mengakibatkan daya serap larutan CH 3 OH semakin menurun hingga 50%. Jadi dapat dikatakan bahwa untuk menurunkan daya crossover CH 3 OH pada fuel cell , elektrolit pendukung seperti KCl dan NaCl dapat ditambahkan pada sisi bahan bakar.

## Permeabilitas Membran Nafion
Permeabilitas atau permeabilitas membran pada fuel cell berkaitan dengan proses crossover . Terutama untuk pemakaian elektrolit padat polimer yang berbentuk membran dalam Direct Methanol Fuel Cell ( DMFC ), nilai tingginya permeabilitas membran menunjukkan tingginya crossover CH 3 OH dalam fuel cell . Sehingga pada pemakaiannya dalam fuel cell , diharapkan membran tersebut mempunyai nilai difusi yang sekecil mungkin, agar CH 3 OH tidak berpindah ke dalam elektroda yang lain dimana hal ini berakibat turunnya efisiensi fuel cell .
Pada Gambar 4 terlihat grafik antara waktu dan konsentrasi CH 3 OH yang terdifusi. Untuk melihat pengaruh difusi CH 3 OH dalam membran, selain perubahan konsentrasi masing-masing pelarut juga ditambahkan KCl guna melihat pengaruh elektrolit pendukung pada permeabilitas CH 3 OH. Gambar 4 menunjukkan bahwa kurva hasil perhitungan tidak terlalu sesuai dengan kondisi nyata dari percobaan terutama untuk larutan CH 3 OH dengan konsentrasi tinggi dan pada rentang waktu percobaan yang lama. Hal ini terjadi karena pada saat perhitungan mengambil asumsi bahwa volume CH 3 OH dan aquadest dalam reservoar nilainya tetap sesuai dengan volume awal dimana tidak terjadi perubahan volume saat proses difusi berlangsung.
Karena pengukuran volume tidak dapat dilakukan setiap saat, maka hanya akan diambil data percobaan awal yaitu pada saat perubahan volume belum terlalu besar dan masih cukup signifikan untuk dijadikan dasar dalam mencari nilai difusivitas membran. Hubungan
Tabel 1 . Persentase penyerapan membran pada perbandingan berat kondisi wet dan dry . No Larutan Nafion-Blank Nafion/SiO 2 Nafion/P 2 O 5 1 Aquadest 11,1 8,0 17,4 2 1M CH3OH 12,6 10,8 19,0 3 3M CH3OH 15,1 11,5 22,5 4 10M CH3OH 19,8 15,9 23,8 5 1M CH3OH+KCl 4,5 3,2 10,3 6 3M CH3OH+KCl 6,0 5,2 11,4 7 10M CH3OH+KCl 7,3 6,5 13,4 Grafik Swelling Membran 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Metanol, M % S w el li n g Nafion P2O5 SiO2

## Larutan
Gambar 3 . Grafik penyerapam larutan metanol terhadap membran. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 t [menit] K on se n tr as iM eO H te rd if u si [M ]
Gambar 4 . Perbandingan waktu dan konsentrasi metanol terdifusi terhadap Nafion dalam konsentrasi metanol ( ● ) 1 M, ( ■ ) 3 M, ( ▲ ) 10 M masing-masing dengan ditambahkan 0,02 M KCl, serta garis lurus yang menunjukkan data teoritis.
Gambar 5 . Perbandingan waktu (dalam kurun 1 jam) dan konsentrasi metanol terdifusi terhadap Nafion dalam konsentrasi metanol ( ● ) 1 M, ( ■ ) 3 M, ( ▲ ) 10 M, masing-masing dengan ditambahkan 0.02 M KCl, serta garis lurus yang menunjukkan data teoritis.
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 10 20 30 40 50 60 70 t [menit] K on se nt ra si M eO H te rd if us i[ M ]
antara CH 3 OH yang terdifusi melewati membran pada saat awal percobaan dalam rentang waktu 1 jam dapat dilihat pada Gambar 5.
Dari Gambar 5 dengan menggunakan persamaan difusivitas, didapat bahwa angka permeabilitas membran seperti pada Gambar 6. Terlihat bahwa dengan adanya penambahan KCl sebesar 0,02 M (2% dari konsentrasi larutan CH 3 OH) dalam 1 M CH 3 OH, akan mengurangi difusi CH 3 OH secara signifikan dibandingkan dengan non-KCl. Berdasarkan persamaan (1), rata-rata angka permeabilitas Nafion 117 dalam larutan berKCl adalah 9,11 x 10 -7 cm 2 /s, 7,27 x 10 -7 cm 2 /s dan 3,29 x 10 -7 cm 2 /s pada konsentrasi CH 3 OH sebesar 1 M, 3 M dan 5 M. Perpindahan CH 3 OH pada membran dianalisis dengan mengetahui konsentrasi difusi CH 3 OH. Jadi semakin besar konsentrasi larutan CH 3 OH maka semakin kecil nilai difusivitasnya. Hal ini terjadi karena semakin pekat larutan maka jumlah molekul tiap satuan luas semakin besar sehingga energi aktivasi tumbukan juga semakin besar akibatnya molekul semakin sulit untuk menembus dinding membran. Selain itu penambahan larutan elektrolit pendukung pada CH 3 OH yaitu KCl dapat menurunkan permeabilitas membran sehingga dapat mengurangi crossover CH 3 OH.

## Pengaruh Partikel Aditif pada Nafion Termodifikasi
Dari penelitianArimura [15] telah diketahui bahwa Nafion yang dimodifikasi dengan penambahan partikel penyerap air, mampu meningkatkan konduktifitas ion yang naik hampir 2 kali lipat. Dari banyaknya kandungan air yang terserap dalam membran maka hal ini memudahkan transfer proton serta partikel tersebut memperbanyak bagian hidrofilik dalam struktur polimer. Namun hubungan antara partikel penyerap air dan permeabilitas membran belum mendapat perhatian, sehingga pada penelitian ini difokuskan untuk mengetahui hubungan antara permeabilitas membran dalam larutan CH 3 OH juga pengaruh elektrolit tambahan dengan tujuan pemakaian membran termodifikasi dalam
DMFC . Analisis permeabilitas membran termodifikasi 2 dan 3 dilakukan dengan metode yang sama seperti pada membran 1 diatas.
Pada Gambar 7, terdapat hasil grafik yang membandingkan antara waktu dan konsentrasi CH 3 OH terdifusi. Hasil permeabilitas membran 2 akan lebih rendah jika ada penambahan KCl pada larutan. Gambar 7 dan Gambar 8 menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi CH 3 OH yang digunakan semakin kecil pula nilai permeabilitasnya. Hal ini terjadi karena semakin besar konsentrasi larutan CH 3 OH, populasi molekul CH 3 OH dalam membran semakin besar yang berakibat pada naiknya hambatan dalam membran. Karena hambatan berbanding terbalik dengan permeabilitas, kenaikan konsentrasi CH 3 OH menurunkan nilai permeabilitas pada membran. Penambahan KCl pada CH 3 OH juga dapat menurunkan permeabilitas pada konsentrasi CH 3 OH yang rendah, karena KCl merupakan elektrolit pendukung pada larutan CH 3 OH yang dapat menghambat perpindahan CH 3 OH melewati membran.
Begitu juga dengan membran 3 yang mengandung additif P 2 O 5 pada Nafion yang mampu menekan difusivitas secara signifikan. Hal ini disebabkan
0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06 2.50E-06 3.00E-06 3.50E-06 0 2 4 6 8 10 12 Konsentrasi larutan [M] D if fu si vi ta s [c m ^ 2/ s]
Gambar 6 . Perbandingan konsentrasi dan nilai difusi Nafion 117 dalam larutan ( ● ) CH 3 OH dan ( ▲ )) CH 3 OH/0,02 M KCl.
Gambar 7 . (a) Perbandingan waktu (dalam kurun 1 jam) dan konsentrasi metanol terdifusi terhadap Nafion-SiO 2 2 dalam konsentrasi metanol ( ● ) 1 M, ( ■ ) 3 M, ( ▲ ) 10 M, masing-masing dengan ditambahkan 0,02 M KCl, serta garis lurus yang menunjukkan data teoritis. (b) Perbandingan konsentrasi dan nilai difusi Nafion-SiO 2 2 dalam larutan ( ● ) CH 3 OH dan ( ▲ ) CH 3 OH/0,02 M KCl. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0 10 20 30 40 50 60 70 t [me nit] K on se n tr as iM eO H te rd if u si [M ]
0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06 2.50E-06 0 2 4 6 8 10 12 K o ns e ntras i [M ] D if fu si vi ta s [c m ^ 2/ s]
Modifikasi Nafion dan Pengaruhnya terhadap Difusi CH 3 OH Sebagai Elektrolit Padat Direct Methanol Fuel Cell (Eniya Lisyiani Dewi)
karena aditif P 2 O 5 mengubah struktur membran menjadi lebih selektif terhadap H + dibandingkan dengan CH 3 OH. Namun dari Gambar 8 dapat disimpulkan bahwa KCl tidak membawa pengaruh yang berarti untuk menekan permeabilitas dan hanya berpengaruh pada konsentrasi rendah.
Tabel 2 menunjukkan data nilai difusivitas membran pada larutan CH 3 OH dan CH 3 OH/KCl. Dari tabel tersebut dapat diketahui perbandingan antara membran Nafion dan Nafion termodifikasi, dimana membran 3 yang mempunyai daya serap larutan tertinggi menunjukkan difusifitas yang lebih kecil dibandingkan dengan membran 1 dan membran 2. Hal ini menunjukkan bahwa pada saat membran dalam keadaan jenuh air, maka CH 3 OH tidak akan terdifusi dengan baik. Sehingga dapat
membawa pengaruh pada sulitnya transfer proton pada membran 3.
Dari tabel pada CH 3 OH dengan konsentrasi 1 M dan 3 M dan yang diberi elektrolit pendukung, diperoleh data bahwa penambahan aditif penyerap air hanya berpengaruh secara signifikan pada kondisi tersebut. Secara jelas dari Gambar 9 (data No.1-3 pada Tabel 2), bisa dilihat bahwa difusi CH 3 OH dari cell A (sisi larutan CH 3 OH) melewati membran Nafion 1 ke cell B (bagian aquadest ) lebih besar dibanding jika melewati membran termodifikasi 2 dan membran termodifikasi 3. Dari hasil tersebut, adanya partikel penambah dapat menekan crossover CH 3 OH sebesar satu order . Namun demikian pada konsentrasi CH 3 OH yang tinggi (10 M) maka difisuvitas membran tidak berubah. Diketahui bahwa transport CH 3 OH tergantung dari banyaknya air dalam membran dikarenakan mempunyai dipole moment yang sama, namun dengan adanya partikel penyerap air tersebut maka CH 3 OH crossover dapat ditekan.

## KESIMPULAN
Penyerapan air dan CH 3 OH pada membran yang telah dimodifikasi dengan SiO 2 dan P 2 O 5 , menghasilkan penyerapan yang terbesar pada membran 3 (P 2 O 5 >blank>SiO 2 ). Pengaruh penambahan elektrolit dapat menurunkan penyerapan larutan CH 3 OH pada keseluruhan membran. Didukung dengan analisis SEM , penambahan P 2 O 5 di dalam membran membuat porositas lebih tinggi.
Dari data permeabilitas membran dijelaskan bahwa dengan aditif hidrofilik tersebut juga mempengaruhi penurunan difusi CH 3 OH atau crossover pada DMFC . Sehingga membran Nafion yang selama ini kurang tepat dipakai pada DMFC karena tingginya crossover CH 3 OH [1], bisa diaplikasikan pada DMFC secara efisien pada konsentrasi larutan < 3 M. Serta dengan cara penambahan larutan elektrolit pada bagian bahan bakar DMFC maka hal tersebut dengan mudah juga akan menurunkan crossover .
Gambar 8 . (a) Perbandingan waktu (dalam kurun 1 jam) dan konsentrasi metanol terdifusi terhadap Nafion-P 2 O 5 3 dalam konsentrasi metanol ( ● ) 1 M, ( ■ ) 3 M, ( ▲ ) 10 M, masing-masing dengan ditambahkan 0.02 M KCl, serta garis lurus yang menunjukkan data teoritis. (b) Perbandingan konsentrasi dan nilai difusi Nafion-P 2 O 5 3 dalam larutan ( ● ) CH 3 OH dan ( ▲ ) CH 3 OH/0,02 M KCl. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0 10 20 30 40 50 60 70 t [me nit] K on se n tr as iM eO H te rd if u si [M ] 0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06 2.50E-06 3.00E-06 3.50E-06 0 2 4 6 8 10 12 Konsentrasi [M] D if fu si vi ta s [c m ^ 2/ s] 0.00E+00 2.00E-06 4.00E-06 6.00E-06 8.00E-06 0 2 4 6 8 10 12 Konsentrasi metanol [M] D if fu si vi ta s [c m ^ 2/ s]
Gambar 9 . (a) Perbandingan difusivitas dan konsentrasi metanol pada membran Nafion-P 2 O 5 3 dalam konsentrasi metanol ( ● )Nafion, ( ▲ ) Nafion-SiO2, ( ■ ) Nafion-P 2 O 5 .
Tabel 2 . Difusivitas membran dalam berbagai larutan metanol (cm 2 /s).
No Larutan
Nafion-Blank Nafion/SiO 2 Nafion/P 2 O 5 1 1MMeOH 6,920E-06 2,925E-06 2,848E-06 2 3MMeOH 2,122E-06 9,409E-07 1,095E-06 3 10MMeOH 6,329E-07 5,677E-07 4,482E-07 5 1MMeOH+KCl 1,962E-06 1,236E-06 1,513E-06 6 3MMeOH+KCl 1,256E-06 9,577E-07 9,651E-07 7 10MMeOH+KCl 5,153E-07 3,028E-07 4,455E-07

## DAFTARACUAN
[1]. G. HOOGERS, Fuel Cell Technology Handbook ,
CRC Press, Chapter 1 (2003) 14
[2]. J. LARMINIE, A. DICKS, Fuel Cell System Explained , John Wiley & Sons, Chapter 1
(2004) 10
[3]. P. GENOVA-DIMITROVA, B. BARADIE, D. FOSCALLO, C. POINSIGNON, J.Y. SANCHEZ, Journal of Membrane Science , 185 (2001) 59
[4]. C. MANEA, M. MULDER , Desalination , 147 (2002) 179
[5]. J. KERRESA_, W. ZHANGA, L. JÖRISSENB, V. GOGELB, Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 5 (2002) 97
[6]. R. MOHRA, V. KUDELAB, J. SCHAUERB, K. RICHAUA, Desalination , 147 (2002) 191
[7]. ENIYA LISTIANI DEWI, H. NAKANO, K. OYAIZU, H. NISHIDE, E. TSUCHIDA, J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem., A40 ,
(2003) 37
[8]. ENIYALISTIANI DEWI, K. OYAIZU, H. NISHIDE, E. TSUCHIDA, J. Power Sources , 115 , (2003) 149
[9]. K. OYAIZU, H. NAKANO, J. NATORI, E. TSUCHIDA, J. Electroanal. Chem ., 489 (2001) 232
[10]. C. F. CHU, F. C.ANSON, J. Phys. Chem ., 94 (1990)
8345
[11]. P. HE, X. CHEN, J. Electroanal. Chem ., 256 (1988)
350
[12]. M. SHI, F. C. ANSON, Electrochim. Acta , 44 (1998)1301.
[13]. J. WON, S. W. CHOI, Y. S. KANG, H. Y. HA, IN-H. OH, H. S. KIM, K. T. KIM W. H. JO, J. Membr. Sci. , 214 (2003) 245
[14]. X. REN, T. E. SPRINGER, S. GOTTESFELD, J. Electrochem. Soc ., 147 (2000) 92
[15]. T. ARIMURA, D. OSTROVSKII, T. OKADA, G. XIE, Solid State Ionics , 118 (1999) 1
[16]. M. WATANABE, H. UCHIDA, M. EMORI, J. Phys. Chem., B 102 , (1998) 3129
[17]. ENIYA LISTIANI DEWI, Polimer Elektrolit Membran dalam Teknologi Fuel Cell, Proceeding Kolokium Hasil Litbang 2004 ESDM , (2005) 1
[18]. C.R. MARTIN, T.A. RHOADES , J.A. FERGUSON, Anal. Chem., 54 (1982) 1639
[19]. ENIYA LISTIANI DEWI , The Effect of Moisture Absorbing Particles on Methanol Permeability of Modified Nafion Membrane in Fuel Cells,
Proceeding 3 rd Regional Symposium on Membrane Science and Technology , (2005) 1
[20]. Mc.CABE, W.L., SMITH, J.C., and HARRIOT, P. Unit Operations of Chemical Engineering , 4 Ed., Mc.GrawHillBook Company, Inc., NewYork (1989)