BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Krisis energi yang berkelanjutan kian mengemuka di ranah global. Krisis energi terjadi di berbagai negara di dunia bahkan di Indonesia. Berdasarkan Indonesia Energy Outlook 2011 dijelaskan bahwa konsumsi energi pada kurun waktu 2000 2009 meningkat dari 709,1 juta SBM pada tahun 2000 menjadi 865,4 juta SBM pada tahun 2009 atau meningkat rata-rata 2,2% pertahun dan sumber energi yang digunakan sebagian besar masih bergantung dari energi yang berasal dari fosil. Tidak heran jika ketidakseimbangan antara konsumsi dan produksi bahan bakar minyak dan fosil akan menjadi sebab utama kelangkaan energi di Indonesia kelak. Oleh karena itu,dibutuhkan energi terbarukan yang dapat mengatasi ketergantungan manusia terhadap energi fosil. Menurut Undang - Undang Republik Indonesia Nomor 30 Tahun 2007 mengenai energi, energi terbarukan adalah energi yang berasal dari sumber energi terbarukan. Sedangkan sumber energi baru adalah sumber energi yang dapat dihasilkan oleh teknologi baru baik yang berasal dari sumber energi terbarukan maupun sumber energi tak terbarukan, antara lain nuklir, hidrogen, gas metana batubara (coal bed methane), batu bara tercairkan (liquified coal), dan batu bara tergaskan (gasified coal). Salah satu energi terbarukan adalah energi hidrogen. Hidrogen sangat melimpah di alam semesta ini kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Contohnya dapat kita temui pada senyawa senyawa diantaranya H 2 O, CH 4, senyawa senyawa asam seperti HCl, H 2 SO 4 dan masih banyak lagi, hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, sehingga energi hidrogen ini berpotensi menjadi sumber energi terbarukan yang dapat bermanfaat bagi manusia. Piranti yang mengubah hidrogen menjadi energi listrik adalah fuel cell. Berdasarkan atas perbedaan elektrolit yang digunakan, fuel cell dapat dibagi menjadi lima tipe, yaitu polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), dan 1
solid oxide fuel cell (SOFC). Kelima tipe tersebut, mempunyai suhu dan skala energi yang berbeda. Lima tipe tersebut kemudian dipisah menjadi dua, yaitu fuel cell yang bekerja pada suhu tinggi dan fuel cell yang bekerja pada suhu rendah. Salah satu tipe fuel cell yang sedang dikembangkan di banyak negara pada saat ini adalah PEMFC karena tipe ini memiliki keunggulan yaitu temperature range atau suhu operasi yang relatif rendah (dibawah 100 o C) jika dibandingkan dengan tipe fuel cell lainnya. Selain itu waktu start up yang lebih cepat. Komponen utama dari PEMFC adalah membran, elektroda dan pelat bipolar. Prinsip kerja dari PEMFC adalah mengkonversi hidrogen menjadi energi listrik dengan cara memecah hidrogen menjadi konfigurasi proton dan elektron yang dilakukan oleh katalis, selanjutnya proton dialirkan melalui membran dan elektron mengalir melalui current collector menghasilkan arus listrik searah. Kemudian proton dan elektron dari hidrogen bereaksi dengan udara sehingga menghasilkan air. Satu buah sel PEMFC akan menghasilkan tegangan ideal 1,23 V. Namun pada kenyataannya terjadi irreversible losses atau rugi rugi potensial yang terjadi pada tiga daerah yaitu activation losses, ohmic losses dan difusion losses. Sehingga potensial listrik yang dapat dihasilkan oleh satu sel PEMFC hanya sekitar 1 V, ini sangat rendah sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan listrik dalam skala besar. Oleh karena itu,perlu dilakukan upaya agar kapasitasnya bisa bertambah salah satunya dengan penambahan jumlah sel yang dirangkai seri yang disebut fuel cell stack. Potensi listrik dari setiap sel kemudian dijumlahkan untuk memberikan potensi listrik dari seluruh tumpukan. Pada tugas akhir ini akan dibahas mengenai pembuatan fuel cell stack dan pengaruh jumlah sel terhadap performansi PEMFC dengan melihat parameter irreversible losses yang dapat diketahui dengan cara analisis parameter irreversible losses dari data kurva karakteristik menggunakan metode trendline. Setelah itu parameter irreversible losses yang mewakili data ekperimen dibandingkan dengan parameter irreversible losses model ideal yang dirancang menggunakan Graphical User Interface (GUI) Matlab 7. 2
1.2 Tujuan Penelitan Tujuan utama dari penelitian ini adalah membuat stack PEMFC satu sel, dua sel dan tiga serta menganalisis parameter irreversible losses dalam fuel cell tersebut. Dalam membuat stack PEMFC, tujuan yang ingin dicapai yaitu : 1. Memahami prinsip dasar dan mekanisme sistem Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) stack. 2. Mendapatkan parameter operasi PEMFC yang tepat agar menghasilkan performansi yang optimal. 3. Mendapatkan data kurva karakteristik sebagai hasil uji karakterisasi dan evaluasi terhadap PEMFC yang telah dibuat. 4. Memodelkan kurva karakteristik fuel cell berdasarkan parameter ideal. 5. Mendapatkan nilai parameter irreversible losses berupa nilai parameter kehilangan aktivasi, parameter resistansi fuel cell, dan parameter kehilangan transport massa dari PEMFC dari eksperimen. 6. Mengetahui pengaruh jumlah sel terhadap parameter irreversible losses. 1.3 Perumusan Masalah Masalah yang akan diteliti dalam tugas akhir ini, yaitu : 1. Bagaimana pengintegrasian Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cel (PEMFC) stack yang baik agar tidak mengalami kebocoran saat pengujian. 2. Bagaimana menentukan parameter operasi PEMFC optimal. 3. Bagaimana pengujian karakterisasi Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) stack yang telah terintegrasi. 4. Bagaimana mendapatkan nilai parameter irreversible losses dalam Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC). 1.4 Batasan Masalah Berkaitan dengan persamaanan masalah diatas, maka fokus tugas akhir ini adalah membuat fuel cell stack yang terdiri dari beberapa sel polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) dan menganalisis parameter irreversible losses serta pengaruh banyaknya jumlah sel dalam satu stack berdasarkan data kurva 3
karakteristik yang dihasilkan oleh PEMFC tersebut. Dengan demikian terdapat beberapa batasan masalah, antara lain : 1. Fuel cell yang akan dibuat merupakan Polymer Electrolite Membrane Fuel cell (PEMFC). 2. Komponen PEMFC disediakan oleh Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). 3. Membran yang akan digunakan adalah membran Nafion 117. 4. Pembuatan fuel cell mengikuti metode yang sudah ada sebelumnya dengan memodifikasi metode pelapisan Nafion Solution pada Gas Difusion Electrode (GDE) menggunakan metode screen printing. 5. Uji performansi data karakteristik fuel cell dilakukan di Lab. Hidrogen BPPT Serpong Tangerang. 6. Analisis dilakukan dengan melihat nilai parameter irreversible losses yang didapatkan dengan metode trendline kurva karakteristik hasil eksperimen PEMFC yang telah melalui proses integrasi. 1.5 Metode Penelitian Metode penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Studi Literatur Proses pembelajaran teori-teori yang digunakan dan pengumpulan literatur-literatur berupa buku referensi, artikel, serta jurnal untuk mendukung dalam penyusunan tugas akhir ini. 2. Studi Lapangan Melakukan konsultasi kepada orang-orang yang berpengalaman di bidang energi dan pemodelan khususnya dalam hal Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell. 3. Metode analisis dalam penelitian ini menggunakan metode pencocokan kurva atau metode trendline data. 4. Eksperimen untuk mandapatkan data kurva karakteristik Pada tahap ini akan dilakukan proses pengukuran untuk mendapatkan data potensial dan rapat arus secara manual. 5. Analisis dan Penulisan laporan tugas akhir. 4
1.6 Sistematika Penulisan BAB 1 memaparkan latar belakang dilakukannya penelitian, perumusan masalah yang akan dibahas, pembatasan masalah, tujuan yang ingin dicapai melalui penelitian ini, metode penyelesaian masalah, dan sistematika penulisan. Pada BAB 2 memuat berbagai teori yang mendukung dan mendasari penulisan tugas akhir ini. BAB 3 menjelaskan tentang sistem dan metode yang digunakan yang mendukung tugas akhir ini. Pada BAB 4 akan menjelaskan mengenai hasil optimasi parameter operasi pada polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) yang telah diintegrasi, hasil analisis parameter irreversible losses pada stack PEMFC berdasarkan data kurva karakteristik hasil eksperimen, dan hasil analisis pengaruh penambahan sel terhadap performansi fuel cell berdasarkan nilai irreversible losses ideal yang tertera pada Graphical User Interface (GUI) dan irreversible losses eksperimen. BAB 5 berisi kesimpulan dari hasil penelitian yang didapat dari analisis data, serta saran agar penelitian ini dapat diteruskan kearah yang lebih baik. 5