STUDI PENGARUH PERUBAHAN PARAMETER TEKANAN, TEMPERATUR DAN KELEMBABAN TERHADAP KINERJA FUEL CELL PEMFC

Transkripsi

1 STUDI PENGARUH PERUBAHAN PARAMETER TEKANAN, TEMPERATUR DAN KELEMBABAN TERHADAP KINERJA FUEL CELL PEMFC Anton Dwi Kusuma* SMKN 1 Majalengka*, Abstract The PEMFC polarization curve are influenced by the parameters of pressure, temperature, and membran humidity. The study focused on the effect of each on a different operating conditions to investigate the characteristic of fuel cell PEMFC for pressures of 1 4 atm, temperatures of o C, and humidities of %. Simulation of polarization curves has been presented with various parameters using the mathematical model that was developed by empirical, isothermal, and dynamic behaviour. It is found that increasing the parameters of pressure, temperature, and humidity the PEMFC output voltage at the same current density would be even higher to improve the performance of PEMFC. The result of full factorial design and ANOVA have been studied which contribution percentage of humidity factor at the anoda is 48.6% and the cathode is 47.6%, factor of the pressure is 0.755%, and the temperature factor is not significant. Keyword : PEMFC, fuel cell, polarization curve, energy, simulation 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan bahan bakar fosil terus-menerus akan menimbulkan dua masalah utama. Pertama adalah jumlahnya yang terbatas sehingga suatu waktu kemudian akan habis. Kedua adalah timbulnya masalah lingkungan seperti pemanasan global, perubahan iklim, polusi, kerusakan hutan dan lahan pertanian akibat penambangan (terutama lahan baru di atas permukaan tanah), dan sebagainya. Kedua permasalahan ini bisa diselesaikan bila dilakukan percepatan penggunaan energi baru dan terbarukan (EBT) sebagai sumber energi alternatif. Fuel cell merupakan suatu alat konversi energi yang bekerja secara elektrokimia, di mana mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik dan air. Keunikan dari proses ini adalah tidak memiliki emisi (ramah lingkungan). Dari berbagai jenis fuel cell sebagai alternatif pembangkit daya, fuel cell jenis PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ini memiliki kelebihan, di mana densitas energinya tinggi, beroperasi pada temperatur yang rendah ( o C), dan cocok digunakan untuk aplikasi dimana start-up yang cepat dibutuhkan seperti pada kendaraan otomotif dan pembangkit tenaga [1]. Dikarenakan dalam memproduksi PEMFC membutuhkan biaya yang besar apalagi disertai dengan desain ulang dan eksperimen, maka penelitian dalam mengoptimasi desain PEMFC ini akan didasarkan pada simulasi dari model matematis yang dikembangkan dari berbagai literatur yang sudah ada sebelumnya. Kontribusi yang diharapkan dari makalah penelitian ini adalah dapat memberikan pilihan model kualitatif yang sesuai dengan kondisi nyata sehingga mengurangi waktu dan biaya yang dibutuhkan dalam penelitian dibandingkan secara eksperimen langsung. Dalam penelitian ini, survei terhadap berbagai literatur dilakukan secara komprehensif, terutama yang berkaitan dengan model matematis yang akan digunakan dalam penelitian. Springer dkk [2] menerapkan model PEMFC satu dimensi dan isotermal. Penelitiannya lebih menitikberatkan pada fenomena hidrasi membran, di mana disebutkan bahwa koefisien difusi air, koefisien elektro-osmotik, dan konduktivitas listrik tergantung kelembaban relatif gas dalam membran. Penelitian serupa dilakukan oleh Sukkee Um dkk [3] yang menerapkan model dua dimensi dan respon transien untuk setiap perubahan tegangan. Rowe & Li [4] menerapkan model non-isotermal dan satu dimensi dengan hasil penelitiannya diperlihatkan pada kurva polarisasi. Mazumder & Cole [5] mengikuti apa yang telah dikerjakan oleh [2] dengan tinjauan tiga dimensi untuk memprediksi pengaruh dari perpindahan air pada membran. Pukrushpan dkk [6] mengembangkan model dinamik PEMFC. Hasil penelitiannya menyebutkan bahwa kurva polarisasi merupakan fungsi dari tekanan parsial pada sisi anoda dan katoda, temperatur fuel cell, dan kandungan air pada membran. Meyer & Yao [7] menerapkan model empiris untuk keperluan kontrol dinamik PEMFC dengan asumsi membran terhumidikasi sendiri (self-humidified) dengan model yang dikembangkan oleh [6]. Al-Baghdadi [8] menerapkan model matematik tiga dimensi, nonisotermal, dan dengan pendekatan pada saluran 1

2 gas. Perez-Page & Perez-Herranz [9] melakukan eksperimen terhadap fuel cell berkapasitas 300 W untuk mendapatkan ukuran parameter kinetik fuel cell, di mana dari kurva polarisasi yang dibuatnya tersebut didapatkan koefisien kemiringan kurva (tafel-slope). Dari review literatur tersebut menunjukkan bahwa model matematis yang dibuat umumnya digunakan untuk memperlihatkan kurva polarisasi, yaitu tegangan output fuel cell pada densitas arus listrik tertentu. Tegangan fuel cell ini dipengaruhi oleh parameter tekanan, temperatur, dan kelembaban. Kurva polarisasi ini dapat digunakan sebagai diagnostik kinerja fuel cell yang kaitannya dengan densitas energi listrik yang dipengaruhi oleh besarnya tegangan dan arus listrik fuel cell. Dengan demikian, yang menjadi 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan utama penelitian ini adalah melakukan simulasi kurva polarisasi terhadap pengaruh dari berbagai parameter operasi seperti tekanan, temperatur, dan kelembaban relatif terhadap kinerja fuel cell PEMFC. 2. METODOLOGI START Kajian PEMFC berdasarkan literatur Desain eksperimen - full-factorial, desain sesuai tabel 1.2 Menentukan model matematis yang akan digunakan dalam penelitian Analisis data masingmasing pengaruh perubahan parameter Pengumpulan data densitas energi maksimum setiap kondisi desain eksperimen Simulasi kurva VI berdasarkan generalisasi dan proporsi tegangan pembentuknya Pengumpulan data tegangan reversibel (Nernst), aktivasi, ohmik, dan konsentrasi Simulasi kurva polarisasi VI, WI dan efisiensi terhadap kondisi desain eksperimen Simulasi kombinasi kurva VI, WI, dan efisiensinya Simulasi kurva polarisasi terhadap pengaruh perubahan tekanan 1 4 atm, perubahan temperatur o C, dan perubahan RH dari % Apakah desain PEMFC sudah optimal? Tidak Tidak Apakah model matematis sudah sesuai literatur? Ya Ya Analisis data dengan metoda ANOVA untuk menentukan kondisi desain paling optimal dan kontribusi masing-masing faktor END Dalam melakukan desain PEMFC yang perlu diketahui adalah gambaran karakteristik dari model stack fuel cell terutama pada komponen MEA (Membrane Electrolyte Assembly) yang ditunjukkan pada Gb. 2.2 di bawah ini. Gambaran karakteristik ini dimunculkan dalam bentuk kurva polarisasi [11]. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa kurva polarisasi merupakan karakteristik utama yang menggambarkan fuel cell sehingga menjadi output paling penting dari suatu model PEMFC karena dapat mengidentifikasi kriteria kinerja fuel cell tersebut. Gambar 1.1. Sistematika penelitian. Gambar 1.2. Reaksi elektrokimia pada PEMFC. 2

3 Tegangan sel adalah faktor utama dalam pemodelan PEMFC dikarenakan tegangan sel selalu berubah seiring perubahan beban dan kondisi operasinya [1]. Tegangan sel aktual ini diperoleh dari modelisasi tegangan maksimum sel dan rugi-rugi tegangan. Rugi-rugi tegangan ini meliputi aktivasi, ohmik, dan konsentrasi [11]. - Tegangan reversibel (V rev ), yaitu tegangan maksimum teoritis dari fuel cell; - Rugi tegangan aktivasi (V act ), yaitu rugirugi yang timbul selama reaksi elektrokimia yang terjadi pada elektroda; - Rugi tegangan ohmik (V ohm ), yaitu rugirugi akibat resistansi saat proton melalui elektroda dan membran (ionicresistance), rugi-rugi elektronik dari sifat elektroda, dan rugi-rugi kontak; - Rugi konsentrasi (V conc ), yaitu rugi-rugi yang berhubungan dengan terbuangnya bahan bakar (fuel) saat melewati membran di mana tidak menghasilkan kerja berguna sehingga mengurangi hantaran sejumlah elektron. Model matematis yang digunakan untuk memprediksi kurva polarisasi pada berbagai kondisi operasi fuel cell, yaitu model empiris yang dikembangkan oleh Pukrushpan dkk [6], dengan asumsi setiap sel PEMFC berada pada kondisi operasi tekanan, temperatur, dan kelembaban yang seragam dan berharga konstan di seluruh titik dalam membran elektroda (MEA). Simulasi kurva polarisasi yang dilakukan menggunakan Matlab v7. Tegangan output dari suatu fuel cell diperoleh dari pengurangan tegangan reversibel terhadap rugi-rugi tegangan, yaitu: (2.1) Energi listrik yang dihasilkan selama selang waktu tertentu merupakan perkalian antara arus listrik dan tegangan listrik. Dengan asumsi dari definisi tersebut, densitas energi (W/cm 2 ) adalah perkalian antara tegangan listrik (volt) dengan densitas arus listrik (A/cm 2 ) yang dinyatakan sebagai: (2.2) Dari persamaan (2.2) tersebut menunjukkan bahwa densitas energi maksimum akan diperoleh pada hasil kali antara tegangan dan densitas arus terbesarnya. Untuk mendapatkan densitas energi maksimum pada Pers. (2.2), maka Pers. (2.1) tersebut dijabarkan lebih lanjut dengan menggunakan persamaan empiris yang dikembangkan oleh Pukrushpan dkk [6], yaitu sebagai berikut: Tegangan Reversibel (Nernst) Dalam campuran suatu gas, tekanan total gas tersebut adalah jumlah seluruh tekanan parsial setiap komponen yang terdapat pada campuran. Karena membran memerlukan pengaturan air, maka tekanan parsial setiap komponen dalam campuran pada fuel cell tergantung pada kelembaban relatifnya [1], di mana: Sehingga, tekanan parsial hidrogen menjadi, sedangkan tekanan parsial oksigen menjadi, (2.3) (2.4) (2.5) Tekanan saturasi (P sat ) ditentukan sesuai persamaan berikut [2]: Rugi Tegangan Aktivasi (2.6) di mana V 0 adalah tegangan saat densitas arus listriknya sama dengan nol, V a dan c 1 adalah konstanta. Besarnya V 0, V a, dan c 1 tergantung pada temperatur dan tekanan parsial oksigen. Rugi Tegangan Ohmik (2.7) Besarnya resistansi (R ohm ) ini sangat tergantung pada ketebalan membran (t m ) dan konduktivitas membran (σ m ). Persamaan yang digunakan, yaitu: Rugi Tegangan Konsentrasi (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) di mana c 2, c 3, dan i L adalah konstanta empiris yang tergantung pada temperatur dan tekanan 3

4 parsial reaktan. Parameter i L merupakan densitas arus batas yang menyebabkan drop tegangan yang terjadi sangat cepat. Besarnya i L adalah 2,2 A/cm 2 dan c 3 adalah 2, sedang c 2 ditentukan berdasarkan persamaan sebagai berikut: (2.12) 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Model tegangan PEMFC yang dikembangkan dalam penelitian ini memungkinkan untuk dilakukan analisis terhadap pengaruh perubahan parameter pada kurva polarisasi. Hasil simulasi digunakan untuk memperoleh gambaran karakteristik PEMFC terutama yang berkaitan dengan kinerja PEMFC dan persentase kontribusi dari masing-masing parameter tersebut terhadap densitas energi maksimumnya. Berikut akan dibahas hasil simulasi dari pengaruh parameter tekanan, temperatur, dan kelembaban terhadap kinerja fuel cell PEMFC tersebut Generalisasi Kurva Polarisasi Kurva polarisasi tegangan dan densitas arus berdasarkan hasil simulasi terlihat seperti pada Gb. 3.1.(a) di bawah ini. Kurva tersebut menggunakan parameter tekanan 2 atm, temperatur 80 o C, dan kelembaban relatif pada membran 100%. Pada kurva tersebut terlihat bahwa tegangan aktual PEMFC terus turun dibandingkan tegangan reversibel sebagai akibat dari adanya rugi-rugi ireversibel, dalam hal ini adalah rugi aktivasi, rugi ohmik, dan rugi konsentrasi dengan proporsi yang berbeda, di mana terlihat bahwa rugi aktivasi merupakan rugi terbesar yang terjadi saat awal reaksi elektrokimia. Gambar 3.1. (a) Kurva polarisasi V-I yang digeneralisasi oleh adanya rugi-rugi tegangan; (b) Kombinasi kurva polarisasi V-I dan W-I. Kurva polarisasi V-I berkaitan dengan kinerja PEMFC. Kurva polarisasi ini dikatakan juga sebagai grafik Tafel, di mana jika sudut kemiringannya (α) semakin tinggi maka kinerjanya semakin rendah atau dengan kata lain bahwa jika kurva semakin menukik artinya kinerja PEMFC semakin rendah. Dari Gb. 3.1.(b) tersebut terdapat informasi yaitu bahwa densitas energi maksimum merupakan faktor awal dalam melakukan desain PEMFC, di mana PEMFC akan optimal bila digunakan di bawah densitas energi maksimumnya karena tegangan keluarannya akan lebih besar sehingga kinerjanya juga akan semakin tinggi Pengaruh Tekanan Kerja Parameter yang digunakan untuk meneliti pengaruh tekanan kerja diasumsikan temperatur dan kelembaban relatif konstan pada 80 o C dan 100% dengan variasi tekanan pada 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 4,5, dan 4 atm. Kurva polarisasi yang ditunjukkan Gb.3.2.(a) menandakan bahwa naiknya tekanan kerja maka kemiringan kurva polarisasi VI semakin kecil yang menyebabkan tegangan output PEMFC akan naik sehingga kinerja akan meningkat seperti kurva W-I yang ditunjukkan Gb.3.2.(b), di mana terjadi pada densitas arus listrik yang sama. 4

5 Gambar 3.3. Pengaruh perubahan temperatur dari o C pada tekanan 2 atm dan RH 100%, di mana: (a) kurva VI; (b) kurva WI; 3.4. Pengaruh Kelembaban Gambar 3.2. Pengaruh perubahan tekanan dari 1 4 atm pada temperatur 80 o C dan RH 100%, di mana: (a) kurva VI; (b) kurva WI Pengaruh Temperatur Kerja Penelitian akan pengaruh temperatur kerja pada PEMFC dilakukan terhadap variasi temperatur o C dengan interval 10 o C pada kondisi tekanan dan kelembaban relatif diasumsikan tetap pada 2 atm dan 100%. Kurva polarisasi yang ditunjukkan Gb. 3.3.(a) memperlihatkan kemiringan kurva V-I semakin kecil (walaupun tidak signifikan) dan kenaikan tegangan output PEMFC seiring naiknya temperatur, sehingga pada densitas arus listrik yang sama kinerja PEMFC meningkat seperti terlihat pada kurva W-I yang ditunjukkan Gb.3.3.(b) tersebut. Gambar 3.4. Pengaruh perubahan RH dari % untuk kondisi 2 atm dan temperatur 80 o C, di mana: (a) kurva VI; (b) kurva WI. Penelitian yang dilakukan terhadap pengaruh kelembaban relatif menggunakan parameter tekanan 2 atm dan temperatur 80 o C dengan variasi kelembaban relatif dalam membran polimer pada 50, 60, 70, 80, 90, dan 100%. Kurva polarisasi yang ditunjukkan pada Gb.3.4.(a) adalah semakin tingginya kelembaban pada membran maka kemiringannya semakin kecil yang menjadikan tegangan output PEMFC semakin tinggi sehingga kinerja PEMFC menjadi meningkat seperti terlihat pada kurva W-I yang ditunjukkan Gb.3.4.(b), di mana terjadi pada densitas arus listrik yang sama. Fungsi kandungan air ini tergantung pada aktivitas air dalam membran terutama terhadap gaya elektro-osmotik dalam membran, sehingga mempengaruhi konduktivitas membran dalam menghantarkan elektron. Dengan demikian, 5

6 semakin tinggi konduktivitas membran maka resistansi pada membran semakin kecil yang menyebabkan rugi-rugi ohmik yang semakin rendah. Untuk menjaga konduktivitas membran pada kondisi optimal maka diperlukan pengaturan kelembaban relatif pada membran tersebut sehingga membran diupayakan tetap terhidrasi atau dijaga agar membran tidak kering atau pun kandungan airnya tidak berlebihan. listrik yang sama didapatkan kurva V-I yang kemiringannya terkecil adalah sesuai eksperimen nomor 73. Demikian pula pada Gb.3.5.(b), di mana densitas energi maksimumnya pada eksperimen nomor 73. Eksperimen nomor 73 menggunakan parameter tekanan 4 atm, temperatur 80 o C, kelembaban relatif pada sisi anoda 100%, dan kelembaban relatif pada sisi katoda 100% 3.5. Desain Eksperimen Full Factorial dan ANOVA Dengan menggunakan metoda desain full factorial yang terdiri dari 4 faktor 3 level seperti tabel 3.1 di bawah ini akan didapatkan 81 eksperimen. Tabel 3.1. Desain faktor dan level ************************************* Level No. Faktor ********************* ************************************* A Tekanan B Temperatur C RH anoda D RH katoda ************************************* Gambar 3.6. Interaksi antar faktor pengaruh utama. Data hasil perhitungan pada setiap eksperimen ditabulasikan berdasarkan harga densitas energi maksimumnya. Interaksi pengaruh utama antar faktor ditunjukkan pada Gb. 3.6, di mana hasilnya adalah C1 D1 A3 B3. Setelah dilakukan analisis dengan metoda ANOVA diperoleh bahwa faktor temperatur tidak signifikan sehingga dilakukan pooling terhadap faktor tersebut. Hasil perhitungan setelah dilakukan pooling didapatkan persentase pengaruh dari kelembaban pada sisi anoda (faktor C) 48,6% dan sisi katoda (faktor D) 47,6%, sedangkan kontribusi pengaruh dari faktor tekanan (faktor A) 0,755%. Sisanya adalah faktor error sebesar 3,02%. Kondisi desain optimalnya adalah pada densitas energi sebesar 0,7105 W/cm 2 dengan nilai interval kepercayaan ± 0,0207 W/cm 2 pada level 99%. 4. KESIMPULAN Gambar 3.5 Kinerja fuel cell PEMFC pada berbagai kondisi desain eksperimen fullfactorial 4 faktor dan 3 level, di mana: (a) kurva V-I; (b) kurva W-I. Kinerja PEMFC pada berbagai kondisi desain eksperimen ditunjukkan oleh Gb.3.5. Penelitian dikaji secara ekonomis dengan menggunakan prinsip nilai terbesar adalah yang terbaik (the bigger is the better). Pada Gb.3.5.(a) terlihat bahwa pada densitas arus Model matematis yang digunakan dalam penelitian simulasi kurva polarisasi ini secara kualitatif sesuai dengan apa yang terdapat pada literatur. Hasil simulasi menunjukkan bahwa perubahan parameter kelembaban dalam membran sangat berpengaruh terhadap kemiringan kurva polarisasi. Dari hasil simulasi, secara garis besar diperoleh suatu gambaran karakteristik fuel cell PEMFC di mana kenaikan masing-masing parameter tekanan, temperatur, dan kelembaban menghasilkan kemiringan kurva polarisasi V-I yang semakin kecil, sehingga tegangan output PEMFC semakin besar dan 6

7 mampu meningkatkan kinerja fuel cell PEMFC pada densitas arus listrik yang sama. Dari hasil penelitian ini diperoleh juga bahwa dengan melakukan desain eksperimen full factorial 4 faktor 3 level dan ANOVA faktor kelembaban pada membran sangat berpengaruh terhadap kinerja PEMFC dan akan optimal digunakan di bawah densitas energi maksimumnya, yaitu pada densitas energi 0,7105 ± 0,0207 W/cm 2. Nomenklatur V fc V rev V act V ohm V conc i i L T fc P P H2 P O2 P sat RH R ohm t m σ m λ m a Daftar Pustaka tegangan keluaran untuk satu sel PEMFC, volt tegangan Nernst atau tegangan reversibel secara termodinamika, volt rugi tegangan aktivasi, volt rugi tegangan ohmik, volt rugi tegangan difusi atau tegangan konsentrasi, volt densitas arus listrik, A/cm 2 densitas arus batas, A/cm 2 temperatur kerja fuel cell, Kelvin tekanan, atm tekanan parsial hidrogen, atm tekanan parsial oksigen, atm tekanan saturasi, atm kelembaban relatif, % hambatan listrik internal, Ω-cm 2 ketebalan membran untuk Nafion-117 adalah 0,0125 cm konduktivitas membran, (Ω. cm) -1 fungsi dari kandungan air pada membran aktivitas air, di mana sub-skrip i pada sisi anoda atau katoda, dan sub-skrip m pada membran [7] [8] A1510 A1517. J.T. Pukrushpan, H. Peng, A.G. Stefanopoulou, 2002, Modeling and Control for PEM Fuel Cell Stack System, American Control Conference, Proceedings of the 2002, R.T. Meyer, B. Yao, 2006, Modeling and Simulation of a Modern PEM Fuel Cell System, International Conference, Proceedings of the 2006, 97067:1 18. M.A.R.S. Al-Baghdadi, 2007, PEM Fuel Cell Modeling, Fuel Cell Research Trends, Nova Science, M.P. Page, V.P. Herranz, 2011, Effect of the Operation and Humidification Temperature of PEMFC Stack on Dead-End Mode, J. Electrochem Sci., Vol. 6, F. Barbir, 2005, PEM Fuel Cells: Theory and Practice, Elsevier, Burlington. EG & G Technical Services, Inc., 2004, Fuel Cell Handbook, Seventh Edition, U.S. Department of Energy, Morgantown. Ranjit K. Roy, 2001, Design of Experiments Using the Taguchi Approach, John Wiley & Sons, Inc., New York. S.R. Otto, J.P. Denier, 2005, An Introduction to Programming and Numerical Methods in Matlab, Mathworks, Springer-Verlag, New York. [1] [2] [3] [4] [5] [6] J. Larminie, A. Dicks, 2003, Fuel Cell Systems Explained, Second Edition, Wiley, New York. T.E. Springer, T.A. Zawodzinski, S. Gottesfeld, 1991, Polymer Electrolyte Fuel Cell Model, J. Electrochem Soc., Vol. 138, No. 8, Sukkee Um, C.Y. Wang, K.S. Chen, 2000, Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, J. Electrochem Soc., Vol. 147, No. 12, A. Rowe, X. Li, 2001, Mathematical Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, J. Power Source, Vol. 102, S. Mazumder, J.V. Cole, 2003, Rigorous 3-D Mathematical Modeling of PEM Fuel Cells II, J. Electrochem Soc., Vol. 150, No. 11, 7