STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL)

Transkripsi

1 STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung oleh MUHAMMAD ISMAIL AJI / TEKNIK TENAGA ELEKTRIK (A) PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) oleh MUHAMMAD ISMAIL AJI NIM : / Teknik Tenaga Elektrik (A) TUGAS AKHIR Telah diterima dan disahkan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar SARJANA TEKNIK pada PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Bandung, Juni 2008 Pembimbing Prof.Dr.Ir. Yanuarsyah Haroen NIP : ii

3 ABSTRAK STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) Oleh MUHAMMAD ISMAIL AJI NIM : / Teknik Tenaga Elektrik (A) Tugas akhir ini membahas studi pemodelan Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC) dengan menggunakan software MATLAB/SIMULINK. Model PEMFC yang dikembangkan kemudian divalidasi dengan data hasil percobaan pada PEMFC Avista Labs tipe SR W dari referensi [5]. Hasil simulasi menunjukkan bahwa secara umum, karakteristik PEMFC yang dimodelkan sudah mendekati karakteristik PEMFC pada hasil percobaan dari referensi. Akan tetapi grafik model PEMFC memiliki kemiringan yang lebih kecil dibandingkan hasil percoban karena nilai jatuh tegangan ohmik pada model lebih rendah dari nilai yang sebenarnya. Oleh karena itu, dibutuhkan koreksi dengan pendekatan empiris untuk memodelkan nilai jatuh tegangan ohmik. Setelah dilakukan koreksi, berhasil didapatkan karakteristik model PEMFC yang lebih mendekati karakteristik PEMFC hasil percobaan dari referensi. Selain itu, dilakukan pula simulasi PEMFC untuk melihat karakteristik respon pengasutan (start-up) dan keadaan mantap (steady-state) model untuk beban tetap. Hasil simulasi menunjukkan tegangan PEMFC mencapai keadaan mantap setelah sekitar 0,3 detik. Besarnya penurunan tegangan keluaran dipengaruhi terutama oleh jatuh tegangan akibat efek kapasitansi lapisan ganda. Sedangkan pada respon suhu, di awal pegoperasian suhu PEMFC akan naik secara drastis kemudian setelah 1500 detik kenaikannya semakin lambat dan akhirnya suhu cenderung konstan setelah 2500 detik. Simulasi yang terakhir adalah penghitungan biaya hidrogen dan oksigen pada pembangkitan listrik oleh PEMFC. Hasil simulasi menunjukkan biaya total hidrogen dan oksigen PEMFC skala 500 W berkisar antara Rp 3.164,86 / kwh sampai Rp 5.046,60 / kwh. Kata kunci : Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC), model, validasi model iii

4 ABSTRACT MODELING AND SIMULATION STUDY OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC) By MUHAMMAD ISMAIL AJI NIM : / Electrical Power Engineering (A) In this final project, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Modeling and Simulation Study are presented using MATLAB/SIMULINK software environments. The model main characteristic are validated by experimental data taken from reference [5] at an Avista Labs SR W PEMFC stacks. Simulation results show that the PEMFC model characteristics is quite agree with experimental data results. However, the PEMFC model graph is have a lower slope than experimental data graph because ohmic voltage drop value in the model is lower than the real value. So, empirical approach is needed for obtain ohmic voltage drop more precisely. After correction were made,pemfc model results are better and more agree to the experimental data. Another simulation was made to see start-up response characteristic of a PEMFC model for a constant load. Simulation results show that the voltage response from start-up to steady state has through 0,3 seconds. The value of output voltage drop is mainly influenced by double layer capacitance voltage drop. At start-up temperature response, model temperature will increase very quickly at starting point then goes slowly after 1500 seconds, and at last inclined to be constant after 2500 seconds. The last simulation was a calculation of PEMFC model hydrogen and oxygen cost to generate electricity. Simulation results show that total hydrogen and oxygen cost of PEMFC model are ranging from Rp 3.164,86 / kwh to Rp 5.046,60 / kwh. Keywords : Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), model, model validation. iv

5 Aku berlindung pada Allah dari godaan syetan yang terkutuk, Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang, "Sesungguhnya shalatku, ibadahku, hidupku dan matiku hanyalah untuk Allah, Tuhan semesta alam, tiada sekutu bagi-nya, dan demikian itulah yang diperintahkan kepadaku dan aku adalah orang yang pertama-tama menyerahkan diri (kepada Allah)". (Q.S. Al-An aam 6: ) Dan di antara tanda-tanda kekuasaan-nya, Dia memperlihatkan kepadamu kilat untuk (menimbulkan) ketakutan dan harapan, dan Dia menurunkan air hujan dari langit, lalu menghidupkan bumi dengan air itu sesudah matinya. Sesungguhnya pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda-tanda bagi kaum yang mempergunakan akalnya. (Q.S. Ar-Ruum 30:24). Maha Benar Allah Yang Maha Agung. v

6 PRAKATA Bismillaahirrahmaanirrahiim.. Segala puji hanya bagi Allah SWT, Tuhan semesta alam, Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang. Tak ada perbuatan, kata, dan sekecil apapun yang terjadi di bumi dan di langit melainkan atas ijin-nya. Salawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Rasulullah SAW, Khatamman Nabiyyin, sang pembawa cahaya kebenaran. Atas rahmat dan karunia Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir yang berjudul SIMULASI DAN PEMODELAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) yang disusun sebagai syarat menyelesaikan kuliah sarjana di Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung. Dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih, Jazakumullahu khairan katsiraa, kepada : 1. Keluarga yang tak henti-hentinya memberi dorongan dan motivasi : Almarhum Bapak (Djoko Rahardjo), Mamah (Tety Salehawati), Teh Dini, A Nashruddin, Teh Lia, Zylvi, dan Rihhad. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Yanuarsyah Haroen selaku dosen pembimbing, atas segala bimbingan, ilmu yang luas, serta pengalaman yang bermanfaat. 3. Ibu Dr. Ir. Isdiriyani Nurdin, dosen Teknik Kimia ITB atas kesediaan waktunya memberikan bantuan konsultasi dan menjadi penguji. 4. Mr. Caisheng Wang, Assistant Professor di Wayne State University, USA., atas kesediaannya memberikan data referensi. 5. Seluruh jajaran dosen Program Studi Teknik Elektro STEI ITB. 6. Kang Arfi, atas bimbingan spiritual dan motivasinya. 7. Teman-teman di LSS ITB (Lingkung Seni Sunda ITB), terutama angkatan 2003 : Abin, Heri, Iqbal, Kobra, Lucky, Oong, Repi, Sule, Wildan, Ainun, Anggun, Dea, Iis, Intan, Kuneng, Opie, Poets, dan Ratih. vi

7 8. Teman-teman seperjuangan baik yang lulus Juli 2008: Aplo, Virgy, Eri Irawan, Agfa, Otes. Maupun para pejuang yang belum lulus Juli 2008: Andri, Fajar, Iqbal Dasril, dan Kuncoro (semangat kawan!). 9. Kelompok Liqo yang setia : Arif, Agi, Awal, Adan, Edo, Faiz, Ganjar, Hananto, Heri, Ihkwan, Julian, Masri, Putra, Revi dan Wildan atas persaudaraan yang tulus dan hangat. Ana uhibbukum fillah! 10. Hafidh, Narpen, Edes, Esha, dan Wahyu (lab dasar), juga Jejey, yang telah memberikan bantuan berupa login AI3, pinjaman printer, laptop, dll. 11. Jajaran penghuni dan staf LPKEE, Bapak Kartono, Windra, Deni, Eenk, Kadek, Mas Imam, Bu Yuni, Pak Nana, dan yang lainnya. 12. Jajaran staf dan satpam Kantor Senat Akademik, atas keramahannya. 13. Teman-teman Elektro ITB angkatan Teman-teman subjur Aroes Koeat Elektro ITB. 15. Bapak Rachmat Pakih, ketua Yayasan Alumni SMA 3 Bandung. 16. Perpustakaan ITB dan Ikatan Alumni ITB angkatan Serta banyak pihak lainnya yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu, yang banyak mempengaruhi sikap, motivasi, dan paradigma penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan terdapat dalam laporan tugas akhir ini ini, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dapat dikirim ke miaji_is_me@yahoo.com. Segala kebenaran datangnya hanya dari Allah SWT Yang Maha Benar, sedangkan segala kesalahan berasal dari kecerobohan pribadi penulis. Semoga penulisan laporan ini dapat bermanfaat bagi banyak pihak. Shadaqallaahul azhiim. Wallaahu alambishshawaab Wassalamualaikum Wr. Wb. Bandung, Juni 2008 Muhammad Ismail Aji vii

8 DAFTAR ISI ABSTRAK iii ABSTRACT iv PRAKATA vi DAFTAR ISI viii DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR TABEL xiii NOMENKLATUR xiv BAB I 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan dan Sasaran Batasan Masalah Metodologi Penelitian Sistematika Pembahasan 4 BAB II 6 GAMBARAN UMUM TEKNOLOGI SEL BAHAN BAKAR Pendahuluan Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC) Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Perbandingan Karakteristik Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar Perbandingan Aplikasi Sel Bahan Bakar Alasan pemilihan PEMFC Prinsip Kerja PEMFC 15 viii

9 BAB III 18 PERUMUSAN MODEL MATEMATIS SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON Pendahuluan Prinsip Konversi Energi pada PEMFC Model Matematis Tegangan PEMFC Potensial Reversibel PEMFC Jatuh Tegangan Aktivasi Jatuh Tegangan Ohmik Jatuh Tegangan Konsentrasi Efek Kapasitansi Lapisan Ganda Model Respon Perubahan Tekanan (Mekanisme Difusi pada Elektroda) Model Respon Perubahan Suhu (Kesetimbangan Energi Termodinamika) Efisiensi pada PEMFC 34 BAB IV 35 PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE MATLAB/SIMULINK Pendahuluan Perhitungan dan Penentuan Beberapa Parameter Parameter-Parameter yang Ditentukan Konstanta Pada Persamaan Jatuh Tegangan Aktivasi Persamaan Hambatan Membran Koefisien Difusi Senyawa H 2 dan O Model Sistem PEMFC Pemodelan PEMFC dengan Simulink/MATLAB Model Simulink Tekanan H 2 dan O 2 dari Mekanisme Difusi Model Simulink Potensial Reversibel PEMFC Model Simulink Jatuh Tegangan Aktivasi Model Simulink Jatuh Tegangan Konsentrasi Model Simulink Jatuh Tegangan Ohmik 44 ix

10 Model Simulink Efek Kapasitansi Lapisan Ganda Model Simulink Tegangan Keluaran Model Simulink Kalor Yang Ditransfer Melalui Fluida Per Detik Model Simulink Perubahan Suhu pada PEMFC Model Simulink Sistem PEMFC 48 BAB V 50 VALIDASI DAN ANALISIS HASIL SIMULASI MODEL SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON Pendahuluan Validasi Model PEMFC Karakteristik Tegangan-Arus Karakteristik Daya Keluaran-Arus Karakteristik Respon Suhu Perbaikan Model dari Validasi Pertama Perhitungan Jatuh Tegangan Ohmik Baru Karakteristik Model PEMFC Hasil Perbaikan Karakteristik Pengasutan (Start-Up) dan Keadaan Mantap (Steady State) Respon Tegangan Pengasutan Respon Perubahan Suhu PEMFC Dari Pengasutan Sampai Keadaan Mantap Perhitungan Biaya Bahan Bakar dengan Energi 60 BAB VI 65 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 65 DAFTAR PUSTAKA xiii LAMPIRAN xv x

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC) 8 Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 9 Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) 10 Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 11 Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 12 Gambar 2.6 Skema Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) 16 Gambar 2.7 Reaksi elektroda dan aliran muatan 17 Gambar 3.1 Karakteristik Tegangan Keluaran Sel Bahan Bakar Terhadap Rapat Arus 21 Gambar 3.2 Rangkaian Listrik Ekivalen untuk Efek Kapasitansi di dalam PEMFC 27 Gambar 4.1 Diagram Sistem PEMFC 35 Gambar 4.2 Diagram Blok Keseluruhan Model PEMFC 40 Gambar 4.3 Diagram Pemodelan PEMFC Simulink 41 Gambar 4.4 Model Simulink Untuk Tekanan H 2 dan O 2 42 Gambar 4.5 Model Simulink Potensial Reversibel PEMFC 43 Gambar 4.6 Model Simulink Jatuh Tegangan Aktivasi 43 Gambar 4.7 Model Simulink Jatuh Tegangan Konsentrasi 44 Gambar 4.8 Model Simulink Jatuh Tegangan Ohmik 45 Gambar 4.9 Model Simulink Efek Kapasitansi Lapisan Ganda 45 Gambar 4.10 Model Simulink Tegangan Keluaran PEMFC 46 Gambar 4.11 Model Kalor Yang Ditransfer Melalui Fluida Yang Mengalir (Q transfer1 ) 47 Gambar 4.12 Model Simulink Perubahan Suhu pada PEMFC 48 Gambar 4.13 Model Simulink Sistem PEMFC 49 xi

12 Gambar 5.1 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus dari Avista Lab tipe SR W 51 Gambar 5.2 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus pada Model PEMFC 51 Gambar 5.3 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Avista Lab tipe SR W 52 Gambar 5.4 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Model PEMFC 52 Gambar 5.5 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Avista Lab tipe SR W 53 Gambar 5.6 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Model PEMFC 53 Gambar 5.7 Karakteristik v-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 55 Gambar 5.8 Karakteristik P-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 55 Gambar 5.9 Karakteristik Respon Suhu untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 56 Gambar 5.10 Karakteristik Tegangan Pengasutan Model PEMFC Untuk Beban Tetap 57 Gambar 5.11 Karakteristik Jatuh Tegangan Efek Kapasitansi Lapisan Ganda (V d ) 57 Gambar 5.12 Karakteristik Jatuh Tegangan Ohmik (V ohm ) 58 Gambar 5.13 Karakteristik Respon Suhu dari Model PEMC Untuk Beban Tetap 59 Gambar 5.14 Karakteristik Respon Kalor Konveksi pada Pengasutan PEMFC 60 Gambar 5.15 Karakteristik Efisiensi Model PEMFC 60 Gambar 5.16 Karakteristik Energi (kwh) Terhadap Arus Beban (Ampere) dari Model PEMFC 61 Gambar 5.17 Energi Listrik Yang Dihasilkan dari 1 kg H2 dalam Model PEMFC 62 Gambar 5.18 Energi Listrik Yang Dihasilkan Dari 1 mol O 2 63 xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Karakteristik Beberapa Jenis Sel Bahan Bakar 13 Tabel 2.2 Skema Aplikasi Sel Bahan Bakar 14 Tabel 2.3 Keunggulan dan Kelemahan PEMFC 15 Tabel 4.1 Parameter Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi PEMFC 36 xiii

14 NOMENKLATUR a, b Konstanta pada persamaan Tafel (Volt/Kelvin) A sel Luas permukaan sel (m 2 ) C Kapasitansi pada lapisan ganda (Farad) C x Kapasitas kalor dari suatu zat x (Joule/mol.K) c FC Kalor jenis keseluruhan Sel Bahan Bakar (Joule/kg.K) D i,j koefisien difusivitas biner efektif (m 2 /s) Potensial reversibel sel (Volt) E r 0 E r Potensial reversibel standar (Volt) F h sel H u Konstanta Faraday (96487 coulomb/mol) koefisien perpindahan kalor secara konveksi (Watt/m 2.K) Kalor penguapan molar air (Joule/mol) HHV Nilai kalor atas / High Heating Value (Joule) I,i I 0 I L Arus (Ampere) Arus pertukaran (Ampere) Arus limit (Ampere) J Rapat arus (Ampere/m 2 ) J 0 Rapat Arus Pertukaran (Ampere/m 2 ) l a l k M FC n lebar jarak antara saluran anoda dengan katalis (m) lebar jarak antara saluran katoda dengan katalis (m) Massa total Sel Bahan Bakar (kg) Koefisien ekivalen senyawa dalam suatu reaksi (mol) N i Fluks molar gas dari senyawa i (mol/s.m 2 ) N sel R P a P k Jumlah sel Konstanta gas universal (8,3143 Joule/mol.K) Tekanan anoda (Pascal) Tekanan katoda (Pascal) P H 2 Tekanan parsial hidrogen (Pascal) P O 2 Tekanan parsial oksigen (Pascal) P 0 Tekanan pada keadaan standar (1 atm) xiv

15 R akt R elec R ion R ohm T T ref q V akt V akt1 V akt2 V kon V d V ohm V out V irrev W elec x i x sal. anoda HO 2 sal. katoda HO 2 Resistansi aktivasi (ohm) Resistansi dari konduktor elektron, yakni kawat saluran (ohm) Resistansi dari konduktor ion, yakni lapisan elektroda dan elektrolit (ohm) Resistansi ohmik (ohm) Suhu (Kelvin) Suhu pada keadaan standar (298 K = 25 C) Muatan (coulomb) Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi aktivasi (Volt) Jatuh tegangan aktivasi yang hanya dipengaruhi faktor suhu (Volt) Jatuh tegangan aktivasi yang dipengaruhi oleh suhu dan arus (Volt) Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi konsentrasi (Volt) Tegangan pada kapasitor (Volt) Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi ohmik (Volt) Tegangan keluaran (Volt) Tegangan irreversibel / jatuh tegangan total / overpotensial (Volt) Energi Listrik (Joule) Fraksi mol dari senyawa i Fraksi mol saluran anoda H 2 O x Fraksi mol saluran katoda H 2 O α Koefisien transfer elektron λ kandungan air (%) δ σ ΔG ΔH ΔS η 0 ketebalan membran (m) konduktivitas ion membran (ohm -1 = mho) Energi bebas Gibbs (Joule) Entalpi (Joule) Entropi (Joule/Kelvin) Tegangan aktivasi dasar (Volt) η Efisiensi (%) xv