MANAJEMEN PEMBEBANAN PADA KELUARAN FUEL CELL JENIS PEMFC UNTUK OPTIMALISASI INVERTER DC-AC

Transkripsi

1 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : ISSN MANAJEMEN PEMBEBANAN PADA KELUARAN FUEL CELL JENIS PEMFC UNTUK OPTIMALISASI INVERTER DC-AC LOADING MANAGEMENT ON THE OUTPUT OF FUEL CELL PEMFC TYPE FOR OPTIMIZATION OF DC-AC INVERTER Bono Pranoto, Khalif Ahadi, Harun Al Rasyid Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Jl.Ciledug Raya kav.109 Cipulir Keb.Lama, Jakarta Selatan bonopranoto@yahoo.com ABSTRAK Permasalahan pengoperasian sistem fuel cell adalah menjaga tegangan keluaran fuel cell yang cenderung menurun seiring meningkatnya arus beban. Pengaturan aliran masuk gas hidrogen dan oksigen tidak memberikan reaksi yang cepat terhadap perubahan tegangan keluaran fuel cell, sedangkan perubahan beban memberikan reaksi yang sangat cepat pada perubahan tegangan. Manajemen pembebanan dilakukan pada jalur masukan inverter untuk melihat karakteristik tegangan keluaran fuel cell akibat pengaruh pemberian beban pada jalur keluaran inverter. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pengaturan pembebanan menggunakan beban aktivasi pada keluaran fuel cell dapat menjaga range tegangan masukan inverter yaitu volt sehingga inverter dapat terus bekerja. Namun demikian, pengaturan ini membutuhkan ketelitian operator saat terjadi perubahan beban. Kata kunci: Fuel cell, inverter, pembebanan ABSTRACT The operating problem on fuel cell system is to mantain the output voltage of fuel cell, which tends to drop as the load current inreases. Controlling the flow of hydrogen and oxygen does not give a quick response, on the other hand, changes in load give very quick responses on output voltage. Loading management is done on inverter input to observe characteristics of fuel cell s output voltage under the influence of changes in load on inverter output. The experiment result shows that loading management using activating load on output fuel cell could maintain on the input voltage range of inverter, which is volts, so that inverter still works. However, this arrangement still needs thoroughness of the operator during load change. Keywords: Fuel cell, inverter, load. Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember

2 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : Vol No. 2 Desember 2012 : PENDAHULUAN Fuel cell dengan membran polimer atau dikenal sebagai Polymer Electrolyte Membran Fuel cell (PEMFC) merupakan suatu perangkat elektrokimia yang mengkonversi langsung energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar menjadi energi listrik. Penggunaan PEMFC memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sumber energi maupun fuel cell jenis lainnya, antara lain efisiensinya yang jauh melebihi mesin pembakaran biasa [2], emisinya yang ramah lingkungan karena berupa air, kondisi operasinya yang berada pada suhu relatif rendah sehingga aman digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, sensitivitasnya yang rendah terhadap perubahan orientasi sehingga sesuai digunakan pada kendaraan [4] dan lainlain. Skema sederhana PEMFC ditunjukkan pada Gambar 1. terlepas ketika terjadi reaksi oksidasi hidrogen dan mengalir melalui elektrolit membran ke katoda. Karena membran bukan penghantar listrik, maka elektron yang terlepas bergerak ke penghantar luar dan akhirnya menghasilkan arus listrik [9]. Walaupun memiliki beberapa keunggulan, penggunaan PEMFC sebagai sumber energi masih memiliki beberapa kendala. Salah satu kendala dalam penggunaan PEMFC adalah permasalahan pengoperasian. Permasalahan pengoperasian sistem fuel cell adalah menjaga tegangan keluaran fuel cell. Tegangan keluaran fuel cell dapat dijelaskan dari karakteristik V-I atau dikenal sebagai Polarisasi dari fuel cell yang digunakan. Karakteristik tegangan keluaran fuel cell sangat dipengaruhi oleh perubahan beban yang dihubungkan [6]. Semakin besar arus beban maka akan semakin menurun tegangan keluaran fuel cell [3]. Karakteristik fuel cell seperti ini mengakibatkan sulitnya mempertahankan tegangan keluaran fuel cell pada nilai tertentu yang konstan. Karakteristik tegangan keluaran terhadap arus beban dari fuel cell ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 1. Skematik Proton Exchange Membran Fuel cell (PEMFC) tunggal [2] Bahan bakar berupa hidrogen diumpankan melalui kanal gas sisi anoda, sementara oksidan, dapat berupa udara diumpankan melalui kanal gas sisi katoda. Prinsip elektrokimia pada PEMFC adalah memanfaatkan reaksi oksidasi hidrogen yang terjadi pada anoda dan reaksi reduksi oksigen yang terjadi pada katoda. Proton Gambar 2. Karakteristik keluaran Fuel cell pada suhu 25 o C, tekanan 1 atm [4]. Diterima 116 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

3 Ketenagalistrikan Dan Energi Management Terbarukan Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC Kondisi tegangan yang tidak konstan tersebut akan menjadi permasalahan saat fuel cell dihubungkan ke beban berupa peralatan elektronik. Hal ini disebabkan karena biasanya peralatan elektronik mempunyai tegangan kerja tertentu sehingga jika melewati ambang batas tegangan kerja tersebut, peralatan akan rusak dan jika tegangan yang disuplai oleh fuel cell kurang dari tegangan kerjanya, maka peralatan tidak dapat bekerja optimal. Untuk meningkatkan tegangan fuel cell dapat melakukan pendekatan dengan menggunakan tiga terminal tekan-tarik dc-dc converter [5]. Atau mengoperasikan sambungan inverter dari sumber daya energi didistribusikan sebagai filter daya aktif dalam jaringan distribusi tegangan rendah [1]. Dengan memanfaatkan tapping dinamis dari trafo juga dapat mengatasi dampak dari berbagai tegangan input pada sisi tegangan sekunder dan efisiensi inverter [8]. Tujuan Tulisan ini membahas mengenai metode pengaturan beban untuk menjaga tegangan keluaran fuel cell sebagai sumber tenaga listrik agar sesuai dengan kebutuhan tegangan masukan inverter serta mempelajari pengaruh manajemen pembebanan tersebut terhadap daya keluaran inverter dan performa fuel cell dengan Membrane Electrode Assembly (MEA) buatan. METODOLOGI Untuk mengatasi permasalahan tegangan keluaran yang tidak stabil dari fuel cell, maka proses pembebanan dilakukan secara bertahap dengan menggunakan beban aktivasi berupa lampu DC terlebih dahulu pada jalur keluaran fuel cell (jalur masukan inverter) sampai tegangan keluaran fuel cell berada pada jangkauan tegangan kerja inverter. Gambar 3 menunjukkan skema beban aktivasi tersebut. Gambar 3. Skema Beban Aktifasi (sumber:percobaan P3TKEBTKE) Gambar 4. Flow chart managemen pembebanan awal. - R Tidak Fuel cell Output DC Pembebanan (R) Voltase < 15V YA Voltase > 12V Inverter Range 12V - 15 V Beban AC Manajemen pembebanan dilakukan pada jalur masukan inverter untuk melihat karakteristik tegangan keluaran fuel cell. YA Tidak + R Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember

4 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 Vol No. 2 Desember 2012 : a. Aktivasi fuel cell Untuk pengaktivasian, fuel cell diberi beban aktivasi dengan rangkaian paralel lampu DC yang dihubungkan langsung ke jalur keluaran fuel cell. Karena inverter komersial yang digunakan bekerja pada range tegangan masukan 12V 15V, maka pemberian beban aktivasi dilakukan sampai tegangan keluaran fuel cell terkondisikan pada range tegangan tersebut [10]. Hal ini diperlukan karena inverter tidak dapat berfungsi jika diluar range tersebut. Jika tegangan masukan lebih besar dari 15 Volt maka buzzer akan berbunyi kemudian inverter mati. Jika beban fuel cell terlalu besar, tegangan akan turun hingga dibawah 12 V, buzzer inverter juga berbunyi dan inverter akan mati. Aktivasi dilakukan sampai daya fuel cell mampu menghidupkan keempat beban lampu dan temperatur fuel cell telah mencapai > 40 o C. Dalam percobaan ini kondisi fuel cell yang digunakan adalah sebagai berikut: Tekanan O 2 dan H 2 : + 2 bar Jumlah Sel ( 2 x 12 sel) Luas Elektroda 7cm x 7 cm Menggunakan MEA buatan sendiri Grafit yang digunakan adalah produksi Electrochem berukuran 50 cm 2 b. Pemberian beban Setelah temperatur fuel cell mencapai 40 o C dan daya yang dihasilkan telah mampu untuk menghidupkan beban aktivasi berupa lampu DC, fuel cell dihubungkan ke inverter untuk diubah menjadi tegangan AC. Pemutusan beban aktivasi harus disesuaikan dengan kebutuhan beban yang terpasang pada keluaran inverter. Gambar 5. Kondisi Aktivasi Awal Sistem Fuel cell dan Saat Percobaan Pembebanan Gambar 5 menunjukkan tegangan keluaran fuel cell saat proses aktivasi dan saat pembebanan yang direncanakan. Sesaat setelah beban terhubung pada inverter, tegangan keluaran fuel cell akan menurun. Untuk mengatasi adanya penambahan beban dan terjaganya tegangan dalam range inverter maka tindakan yang perlu dilakukan adalah mengurangi beban aktivasi. Beban aktivasi satu persatu dilepas sehingga tegangan masukan inverter naik sehingga terjaga pada range tegangan 12-15V. Saat melepas beban aktivasi perlu diperhatikan pengaruh yang ditimbulkan, jika terlalu banyak beban aktivasi yang dimatikan maka tegangan akan naik hingga di atas 15 V dan inverter akan mati. Pada saat pengoperasian, sistem fuel cell dilengkapi kipas pendingin untuk menjaga kestabilan temperatur fuel cell. Kipas pendingin diset pada 50 o C diukur menggunakan thermocouple yang terhubung dengan fan control. Dua buah stack fuel cell disusun secara seri untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan yaitu sebesar 24 Volt. Stack 1 berada didepan Stack 2 lalu terhubung kedalam sistem. Diterima 118 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

5 Ketenagalistrikan Dan Energi Management Terbarukan Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran yang dilakukan saat uji coba metoda tersebut yang dapat dilihat pada Gambar 6. Ketidakstabilan tegangan masukan inverter selain disebabkan oleh beban juga dipengaruhi oleh kecepatan reaksi yang terjadi di dalam fuel cell untuk menghasilkan arus. Gambar 6. Tegangan Keluaran Fuel cell tekanan 2 Bar, suhu 50 o C setelah penarikan beban Gambar 7. Arus Keluaran Fuel cell Gambar 8. Daya Keluaran Fuel cell Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember

6 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 Vol No. 2 Desember 2012 : Dari bagian yang dilingkari pada Gambar 6 tersebut, dapat terlihat bahwa pada saat kondisi beban tetap, dimana arus terlihat konstan, tegangan keluaran fuel cell cenderung menurun (lihat gambar 7). Hal ini disebabkan karena kebutuhan akan arus yang stabil maka dibutuhkan reaksi elektrokimia yang cepat, menyebabkan pembentukan air semakin cepat juga. Air yang terbentuk membutuhkan waktu dari mulai embun air hingga menjadi gumpalan air lalu terdorong keluar. Semakin banyak gumpalan air yang terbentuk sebelum terdorong keluar menyebabkan turunnya tegangan yang dihasilkan. [4] Daerah yang di-blok pada Gambar 6 tersebut adalah daerah kerja tegangan masukan inverter menurut spesifikasi teknisnya. Namun demikian, jika tegangan keluaran fuel cell turun sesaat hingga 11 Volt, inverter tersebut masih dapat bekerja tetapi dengan alarm peringatan berbunyi. Begitu juga jika tegangan keluaran fuel cell melebihi tegangan 15 Volt. Pada Gambar 7 dapat dilihat bahwa ratarata arus keluaran fuel cell saat pembebanan adalah 6.5 Ampere/cell. Perhitungan daya yang dihasilkan oleh fuel cell untuk mensuplai beban ditampilkan dalam bentuk grafik seperti yang dapat dilihat pada Gambar 8. Dari Gambar 8 tersebut terlihat bahwa daya maksimum yang terukur adalah sekitar 120 Watt. Kondisi temperatur fuel cell yang terjadi saat uji coba metoda pembebanan tersebut juga diukur dan dapat dilihat pada Gambar 9. Pada Stack 1, temperatur cenderung meningkat namun dijaga temperaturnya oleh suatu fan control yang di-set pada 50 o C. Kenaikan temperatur ini menandakan reaksi kimia yang terjadi juga menghasilkan energi lain berupa panas sehingga efisiensi fuel cell untuk menghasilkan energi listrik akan menurun. Besaran thermal yang dihasilkan dapat mempengaruhi kemampuan PEMFC [7] Gambar 9. Temperatur Fuel cell Diterima 120 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

7 Ketenagalistrikan Dan Energi Management Terbarukan Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Metode pengaturan beban keluaran fuel cell terbukti berhasil menjaga tegangan agar sesuai dengan kebutuhan tegangan masukan inverter. Pengaturan Beban dilakukan secara manual dengan menyeimbangkan beban output inverter dengan beban sebelum masuk inverter. Manajemen pengaturan beban tersebut masih dilakukan secara manual sehingga perlu ketelitian dan kewaspadaan operator terhadap beban yang akan digunakan. Saran Perlu dirancang piranti elektronik tambahan yang mampu menjaga kestabilan tegangan masukan inverter dari fuel cell. UCAPAN TERIMA KASIH Kami ucapkan Terima Kasih sebesarbesarnya kepada Dr.Verina J Wargadalam yang telah membantu dalam hal membimbing dan sarana penelitian. DAFTAR PUSTAKA [1]. Beltran.H, N. Aparicio, E. Belenguer, C. Cervelló García, 2008, Fuel Cell Connection Inverters used for Unbalance Compensation in Low Voltage Distribution System, International Conference On Renewable Energies And Power Quality, Santander, Spain, ICREPQ [2] Carrette, L., Friedrich, K.A., dan U. Stimming Fuel cells Fundamentals and Applications. Fuel cells, 1: [3] Choi Eugene and Jennifer A, 2009, MossObservation of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Degradation Under Dynamic Load Cycling, Degree of Bachelor of Science, Worcester Polytechnic Institute. [4] Cooper, K.R, Ramani, V Experimental Methods and Data Analyses for Polymer Electrolyte Fuel cells, Scribner Associates, [5] Gopinath R, Sangsun Kim, Jae-Hong Hahn, Prasad N. Enjeti, Mark B. Yeary, and Jo W. Howze 2004, Development of a Low Cost Fuel Cell Inverter System With DSP Control, Ieee Transactions On Power Electronics, Vol. 19, No. 5 [6] Janssen, G.J.M., E.F. Sitters, A. Pfrang, 2009, Proton-exchange-membrane fuel cells durability evaluated by load-on/off cycling, Journal of Power Sources 191, page [7] Kandlikar Satish G and Zijie Lu, 2009, Thermal management issues in a PEMFC stack A brief review of current status, Elsevier, Applied Thermal Engineering 29, Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember

8 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 Vol No. 2 Desember 2012 : [8] Mazumder Sudip K, Rajni K. Burra, Rongjun Huang, Muhammad Tahir, and Kaustuva Acharya 2010, A Universal Grid- Connected Fuel-Cell Inverter for Residential Application. IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 57, No. 10 [9] Rayment C Introduction to Fuel cell Technology. University of Notre Dame, IN U.S.A. [10] Woojin Choi, Prasad N. Enjeti, Jo W. Howze, 2004, Development of an Equivalent Circuit Model of a Fuel Cell to Evaluate the Effects of Inverter Ripple Current, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC. Nineteenth Annual IEEE Diterima 122 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012