SKRIPSI ANALISIS PENGARUH VARIASI VOLUME AIR PADA WATER TANK DAN BEBAN LISTRIK TERHADAP PERFORMANSI POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC) Oleh : I NYOMAN JULI ADI PUTRA NIM: 0804305006 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2012
ANALISIS PENGARUH VARIASI VOLUME AIR PADA WATER TANK DAN BEBAN LISTRIK TERHADAP PERFORMANSI POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC) Oleh Dosen Pembimbing : I Nyoman Juli Adi Putra : Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT Ir. Made Suarda, M.Eng ABSTRAKSI Fuel cell adalah pembangkit listrik melalui proses elektrokimia dengan mengkombinasikan gas hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) merupakan fuel cell dengan efisiensi tinggi, tanpa polusi, tidak bising. Reaksi kimia yang berlangsung pada PEMFC adalah gas Hidrogen diubah menjadi proton (H + ) dengan katalisis Platina (Pt) pada anoda, demikian pula Oksigen dari udara diubah menjadi O 2- pada katoda. Penelitian ini menggunakan PEMFC tipe ED-974x produksi ED Corporation yang mengkombinasikan electrolyzer dengan PEMFC pada satu modul. Pada electrolyzer dihasilkan H2 dan O2, dimana H2 masuk ke fuel cell sedangkan O2 pada fuel cell dihasilkan dari udara bebas. Penelitian dilakukan dengan mengukur besarnya tegangan dan arus yang mengalir pada tiap peningkatan jumlah beban dari 15 Ohm, 39 Ohm, sampai 100 Ohm pada masing-masing volume air, kemudian diolah dan dianalisa tegangan dan arus listriknya. Hasil pengujian menunjukkan bahwa, untuk variasi volume air pada water tank, tidak memperlihatkan perbedaan tegangan yang signifikan. Peningkatan variasi beban yang diberikan mempengaruhi kinerja dari fuel cell. Untuk volume air 100 ml, beban 15 Ohm menghasilkan tegangan dan arus listrik rata-rata 0.254 V dan 0.0134 A, beban 39 Ohm menghasilkan 0.540 V dan 0.0092 A, beban 100 Ohm menghasilkan 1.360 V dan 0.0076 A. Untuk volume air 110 ml, beban 15 Ohm menghasilkan 0.334 V dan 0.0192 A, beban 39 Ohm menghasilkan 0.712 V dan 0.0136 A, beban 100 Ohm menghasilkan 1.516 V dan 0.0092 A. Untuk Volume air 120 ml, beban 15 Ohm menghasilkan 0.266 V dan 0.0142 A, beban 39 Ohm menghasilkan 0.678 V dan 0.0128 A, beban 100 Ohm menghasilkan 1.456 V dan 0.0084. Jadi semakin tinggi beban yang diberikan maka tegangan semakin naik, arus listrik menurun. Kata kunci: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Electrolyzer, Performansi PEMFC iv
ANALYSIS THE INFLUENCE OF VARIATION WATER VOLUME IN WATER TANK AND ELECTRICAL LOAD TO POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC) PERFORMANCE Author Guidance : I Nyoman Juli Adi Putra : Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT Ir. Made Suarda, M.Eng ABSTRACT Fuel cells are electrochemical power generation through the process of combining hydrogen gas (H 2 ) and oxygen (O 2 ). Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a type fuel cell with high efficiency, no pollution, no noise. The chemical reaction that takes place in the PEMFC is hydrogen gas is converted into a proton (H + ) with catalytic Platinum (Pt) at the anode, as well as oxygen from the air is converted into O 2- at the cathode. This research uses PEMFC type ED-974x production ED Corporation that combines electrolyzer with PEMFC on one module. In the electrolyzer produced H2 and O2, where H2 get into fuel cell, while O2 on the fuel cell is produced from outside air. Research conducted by measuring the magnitude of the voltage and current flowing in each load increase of 15 Ohm, 39 Ohm, up 100 Ohm to each volume of water, then processed and analyzed the voltage and electric current. The results show that, no voltage difference significant for the variation of water volume in water tank. For 100 ml of water volume yielded an average of 8.83 V maximum voltage, for volume 110 ml the maximum voltage of 8.81 V, and volume 120 ml the maximum voltage of 8.82 V. Increased variation given load affects the performance of the fuel cell. For the water volume of 100 ml, 15 Ohm load produces voltage and electric current an average of 0.254 V and 0.0134 A, 39 Ohm load produces 0.540 V and 0.0092 A, 100 Ohm load produces 1.360 V and 0.0076 A. For the water volume of 110 ml, 15 Ohm load produces 0.334 V and 0.0192 A, 39 Ohm load produces 0.712 V and 0.0136 A, 100 Ohm load produces 1.516 V and 0.0092 A. For the water volume of 120 ml, 15 Ohm load produces 0.266 V and 0.0142 A, 39 Ohm load produces 0.678 V and 0.0128 A, 100 Ohm load produces 1.456 V and 0.0084. So, the higher load given make the voltage increases and the electric current decreases. Keyword: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Electrolyzer, Performance of PEMFC v
DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN... i LEMBAR PERSETUJUAN ii HALAMAN PERNYATAAN... iii ABSTRAK.... iv ABSTRACT.. v KATA PENGANTAR.. vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR............. x DAFTAR TABEL.......... xi DAFTAR LAMPIRAN....... xii BAB I PENDAHULUAN.......... 1 1.1 Latar Belakang.. 1 1.2 Permasalahan.... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Tujuan Penelitian.. 3 1.5 Manfaat Penelitian.... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1 Dasar Kelistrikan... 4 2.1.1 Arus Listrik.... 4 2.1.2 Tegangan (Voltage)... 5 2.1.3 Tahanan.. 6 2.1.4 Hubungan antara Arus Listrik, Tegangan dan Tahanan.... 7 2.2 Sumberdaya Energi... 8 2.3 Air Sebagai Energi.... 9 2.4 Bahan Bakar Kimia.... 11 2.4.1 Hidrogen sebagai Bahan Bakar.... 11 2.5 Fuel Cell.. 12 2.5.1 Karakteristik Fuel Cell..... 13 2.5.2 Jenis-Jenis Fuel Cell.... 14 2.5.3 Prinsip Kerja Fuel Cell.... 17 2.5.4 Diagram Sistem Bahan Bakar Sel Pembangkit Listrik.... 19 2.5.5 Keuntungan dan Kerugian Fuel Cell... 20 2.5.5.1 Keuntungan Fuel Cell... 20 2.5.5.2 Kerugian Fuel Cell.... 21 2.6 Elektrolisis.. 22 2.7 Hidrogen. 24 2.8 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)..... 25 2.8.1 Komponen PEMFC...... 27 2.8.1.1 Membran Elektrolit... 27 2.8.1.2 Elektroda (Anoda dan Katoda). 28 2.8.1.3 Pelat Bipolar.. 29 2.9 Kerja Sel, Tegangan, Muatan dan Daya..... 29 viii
BAB III METODE PENELITIAN........ 31 3.1 Alat Penelitian..... 31 3.2 Bahan dan Peralatan Uji..... 33 3.2.1 Bahan - Bahan.... 33 3.2.2 Peralatan Uji..... 33 3.3 Prosedur Penelitian..... 33 3.4 Urutan Langkah-Langkah Penelitian...... 35 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.... 36 4.1 Data Hasil Pengujian... 36 4.1.1 Pengujian dengan volume air 100 ml dengan variasi beban 15, 39 dan 100Ohm...... 36 4.1.2 Pengujian dengan volume air 110 ml, dengan variasi beban 15, 39 dan 100 Ohm... 38 4.1.3 Pengujian dengan volume air 120 ml, dengan variasi beban 15, 39 dan 100 Ohm..... 39 4.2 Pengolahan Data..... 41 4.2.1 Tegangan, Arus Listrik, dan Daya... 41 4.2.2 Pembahasan Masing-Masing Volume Air beserta Bebannya............ 43 4.2.2.1 Analisa Tegangan (V) Arus Listirk (I) pada Pengujian 100 ml Air dengan Variasi Beban 15, 39, dan 100 Ohm...... 43 4.2.2.2 Analisa Tegangan (V) Arus Listirk (I) pada Pengujian 110 ml Air dengan Variasi Beban 15, 39, dan 100 Ohm...... 45 4.2.2.3 Analisa Tegangan (V) Arus Listirk (I) pada Pengujian 120 ml Air dengan Variasi Beban 15, 39, dan 100 Ohm...... 47 4.2.3 Analisa Perbandingan Tegangan dan Arus Listrik..... 48 4.2.3.1 Analisa Perbandingan Tegangan (V)...... 49 4.2.3.2 Analisa Perbandingan Arus Listrik (I)........ 50 4.2.4 Efisiensi.... 51 BAB V PENUTUP... 53 5.1 Kesimpulan..... 53 5.2 Saran... 53 DAFTAR PUSTAKA...... 54 LAMPIRAN..... 55 ix
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Tahanan Listrik... 7 Gambar 2.2 Perbandingan Efisiensi Fuel Cell dengan Mesin Konvensional... 14 Gambar 2.3 Proses Elektrolisis dan Fuel Cell...... 17 Gambar 2.4 Proses Kerja Fuel Cell.. 18 Gambar 2.5 Sistem Bahan Bakar Sel.... 19 Gambar 2.6 Proses Elektrolisis Air... 22 Gambar 2.7 Hidrogen.... 24 Gambar 2.8 Rangkaian Kesatuan Sistem PEMFC... 25 Gambar 2.9 komponen dari PEMFC.... 27 Gambar 3.1 Skematik Proses Pengoperasian PEMFC.. 31 Gambar 3.2 Stack yang terdiri dari 10 buah sel.... 32 Gambar 3.3 Electrolyzer... 32 Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian.... 35 Gambar 4.1 Grafik V-I pada Pengujian 100 ml dengan Beban 15 Ohm..... 43 Gambar 4.2 Grafik V-I pada Pengujian 100 ml dengan Beban 39 Ohm.... 43 Gambar 4.3 Grafik V-I pada Pengujian 100 ml dengan Beban 100 Ohm... 43 Gambar 4.4 Grafik V-I pada Pengujian 110 ml dengan Beban 15 Ohm..... 45 Gambar 4.5 Grafik V-I pada Pengujian 110 ml dengan Beban 39 Ohm... 45 Gambar 4.6 Grafik V-I pada Pengujian 110 ml dengan Beban 100 Ohm... 45 Gambar 4.7 Grafik V-I pada Pengujian 120 ml dengan Beban 15 Ohm... 47 Gambar 4.8 Grafik V-I pada Pengujian 120 ml dengan Beban 39 Ohm..... 47 Gambar 4.9 Grafik V-I pada Pengujian 120 ml dengan Beban 100 Ohm... 47 Gambar 4.10 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Beban 15 Ohm pada Variasi Volume Air.......... 49 Gambar 4.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Beban 39 Ohm pada Variasi Volume Air.......... 49 Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Beban 100 Ohm pada Variasi Volume Air......... 49 Gambar 4.13 Grafik Perbandingan Arus Listrik dengan Beban 15 Ohm pada Variasi Volume Air...... 50 Gambar 4.14 Grafik Perbandingan Arus Listrik dengan Beban 39 Ohm pada Variasi Volume Air... 50 Gambar 4.15 Grafik Perbandingan Arus Listrik dengan Beban 100 Ohm pada Variasi Volume Air...... 50 Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Variasi Volume Air dan Beban Listrik. 52 x