Rancang Bangun Prototipe Simulator Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell) Berbasis Buck Konverter dan Mikrokontroler Arduino

RANCANG BANGUN PROTOTIPE SIMULATOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEM FUEL CELL) BERBASIS BUCK

KONVERTER DAN MIKROKONTROLER ARDUINO

(Skripsi)

Oleh

MAULANA ANWARI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

RANCANG BANGUN PROTOTIPE SIMULATOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEM FUEL CELL) BERBASIS BUCK KONVERTER DAN MIKROKONTROLER

ARDUINO

Oleh :

Maulana Anwari

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

i ABSTRAK

RANCANG BANGUN PROTOTIPE SIMULATOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEM FUEL CELL) BERBASIS BUCK

KONVERTER DAN MIKROKONTROLER ARDUINO

Oleh Maulana Anwari

Kebutuhan energi dan kelestarian lingkungan mendorong terciptanya sumber energi alternatif, salah satunya adalah sel bahan bakar (fuel cell). Salah satu jenis fuel cell yang saat ini berkembang dari segi teknologi dan kapasitasnya adalah PEM fuel cell. Penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar pada PEM fuel cell mengakibatkan operasional bersifat mahal dan memiliki keamaanan sistem yang tinggi. Oleh karena itu saat ini penggunaan simulator adalah cara yang paling efektif dan efisien sebagai sarana penelitian PEM fuel cell.

Untuk itu tujuan penelitian ini adalah merancangbangun prototipe simulator PEM fuel cell yang berbasiskan Buck converter dan mikrokontroler Arduino. Sebelum merancangbangun simulator PEM fuel cell dilakukan pemodelan dan simulasi dengan menggunakan program Simulink Matlab. Simulator PEM fuel cell diprogram mengikuti model matematik PEM fuel cell dengan mengacu pada produk referensi PEM fuel cell stackHorizon H-100. Model matematik PEM fuel cell ini bertindak sebagai titik referensi bagi pengontrol PID yang menghasilkan besaran lebar pulsa (duty cycle) yang sesuai. Dengan teknik modulasi lebar pulsa (PWM) yang mengatur tegangan Buck converter pada sistem kalang tertutup maka akan dihasilkan tegangan yang sesuai dengan karakteristik PEM fuel cell.

Dari hasil pengujian simulator PEM fuel cell yang dibuat disimpulkan berdasarkan nilai efektif dan bentuk grafik bahwa simulator PEM fuel cell yang dibuat memiliki karakteristik yang sama dengan produk referensi PEM fuel cell stack Horizon H-100 dan memiliki tingkat kesamaan yang tinggi terhadap hasil pemodelan dan simulasinya. Kemudian dari hasil pengujian variasi variabel operasi seperti tekanan, temperatur, jumlah sel dan jumlah aliran bahan bakar didapatkan hubungan yang sesuai dengan teori yang mendukung.

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Tanjung Karang, Bandar Lampung pada

tanggal 19 Desember 1992, buah hati dari pasangan Bapak

Sanwani dan Ibu Asiah dengan latar belakang keluarga

sederhana.

Pendidikan formal penulis dimulai dari Sekolah Dasar di

SDN 1 Kebun Jeruk, yang diselesaikan pada tahun 2001. Kemudian Penulis

meneruskan pendidikan di SMPN 5 Bandar Lampung dan lulus pada tahun 2007

dilanjutkan ke Sekolah Menengah Teknologi Industri (SMTI) Negeri Tanjung

Karang dengan mengambil Jurusan Kimia Industri dan lulus pada tahun 2010

dengan predikat lulusan terbaik.

Pada tahun yang sama penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik

Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Seleksi Nasional

Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN). Selama menjadi mahasiswa, penulis

pernah menjadi Asisten Laboratorium Konversi Energi Elektrik (KEE) dan

Asisten Dosen untuk berbagai mata kuliah. Penulis juga pernah aktif di lembaga

kemahasiswaan yang ada di Jurusan Teknik Elektro yaitu Himpunan Mahasiswa

Pengembangan (2012-2013) dan Anggota Departemen Apresiasi dan

Pengembangan Keilmuan (2011-2012).

Pada tahun 2013, penulis pernah melakukan kerja praktik di PT. PLN Persero

Sektor Pembangkit Tarahan dan di tahun yang sama menjadi mahasiswa

berprestasi (MAWAPRES) Jurusan Teknik Elektro. Kemudian menjadi finalis

dalam ajang Pekan Ilmiah Nasional (PIMNAS) ke 27 di UNDIP Semarang tahun

SANWACANA

Alhamdulillahirobbil’alamin, segala puji bagi Allah SWT atas limpahan nikmat

kesehatan, kesempatan, rahmat serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat

menyelesaikan skripsi ini. Sholawat serta salam senantiasa tercurah kepada Nabi

Muhammad SAW sang penutup para Nabi dan Rasul, kepada keluarga, sahabat,

dan pengikutnya yang setia sampai akhir zaman.

Skripsi ini berjudul ”Rancang Bangun Prototipe Simulator Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell) Berbasis Buck Konverter dan Mikrokontroler Arduino” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas

Lampung. Selama melaksanakan penelitian ini, penulis banyak mendapatkan

pengalaman yang sangat berharga. Penulis juga telah mendapat bantuan baik

moril, materi, maupun petunjuk, bimbingan dan saran dari berbagai pihak, secara

langsung maupun tidak langsung. Untuk itu pada kesempatan ini penulis

mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Sugeng P.Harianto, M.S. selaku Rektor Universitas

2. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung;

3. Bapak Agus Trisanto, Ph.D., selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas

Lampung;

4. Ibu Herlinawati, S.T.,M.T., selaku sekretaris jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung;

5. Bapak Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T., selaku Pembimbing Utama atas

kesediannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses

penyelesaian skripsi ini;

6. Ibu Dr. Eng. Endah Komalasari, S.T., M.T., selaku Pembimbing Pendamping

atas kesediannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses

penyelesaian skripsi ini;

8. Bapak Ir. Abdul Haris, M.T., selaku Penguji dan Pembimbing Akademik yang

telah memberikan masukan dan saran-saran dalam skripsi ini serta

memberikan waktu dan bimbingannya semasa penulis kuliah;

9. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung atas pengajaran

yang diberikan selama ini kepada penulis;

10. Seluruh Staf Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung atas bantuannya

semasa penulis kuliah;

11. Kedua orang tua Penulis, Bapak Sanwani dan Ibu Asiah tercinta yang tidak

pernah berhenti memberikan doa, dukungan, dan kasih sayang tiada batas

akhir dan semoga Beliau selalu dalam lindungan Allah SWT;

12. Keluarga besar penulis Kak Suhaimi, Kak Suhairi, Kak Asep, Kak Husni, Kak

Mbak Arifah, Mbak Rusmaida yang telah memberikan motivasi dan dukungan

moril-materil kepada Penulis.

13. Teman - teman 2010, Radi, Nanang, Melzy, Nuril, Haki, Sofyan, Derry, Aji,

Afrizal, Devy, Kiki, Muth, Bagus, Joe, Reza, Hendra, Ir, Alen, Anwar, Andri,

Yudi, Saipul, Jerry, Seto, Pendi, Hary, Jepri, Jaya, Agung dan lainnya yang

tidak bisa Penulis tuliskan satu persatu namanya atas dukungan, cerita dan

kebersamaan dalam susah maupun senang. Kekeluargaan kita tidak akan

terputus sampai kapanpun;

14. Rekan-rekan asisten Laboratorium Konversi Energi Elektrik, Habib, Richard,

Apriwan, Rejani, Deni, Frian, Aji P, Guntur, Yayan, Darma dan lainnya yang

tidak bisa Penulis tuliskan satu persatu namanya atas segala bantuan,

dukungan dan semangatnya, serta seluruh penghuni Laboratorium Terpadu

Teknik Elektro Universitas Lampung atas kebersamaan dalam belajar dan

mengerjakan tugas;

15. Keluarga besar Teknik Elekto yang luar biasa;

16. Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro (Himatro) atas pengalaman,

pembelajaran dan segala rasa yang lahir yang tidak akan pernah terlupakan;

17. Semua pihak yang telah membantu serta mendukung penulis dari awal kuliah

hingga terselesaikannya skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Semoga kebersamaan ini membawa kebaikan, keberkahan, kemurahan hati, serta

bantuan dan do’a yang telah diberikan seluruh pihak akan mendapatkan balasan

yang setimpal dari Allah SWT dan semoga kita menjadi manusia yang berguna

dan berkembang. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak terlepas dari

kritik yang membangun sangat penulis harapkan demi perbaikan dimasa yang

akan datang. Akhirnya, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Aamiin.

Bandar Lampung, 31 Maret 2015

Penulis,

ii ABSTRACT

PROTOTYPE PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEM FUEL CELL) SIMULATOR BASED ON BUCK CONVERTER AND

ARDUINO MICROCONTROLLER

By

Maulana Anwari

Energy needs and environmental sustainability encourage the creation of alternative energy sources, one of which is a fuel cell (fuel cell). Fuel cell is a collection of cells that can generate electrical energy through redox reaction between a fuel (hydrogen) and oxygen which is continuous and low emissions. One type of fuel cell that is currently evolving in terms of technology and capacity is a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell).

The purpose of this study was designing prototype PEM fuel cell simulator based Buck converter and the Arduino microcontroller. Before make PEM fuel cell simulator, modeling and simulation using Simulink Matlab program is doing. PEM fuel cell simulator is programmed to follow the mathematical model of PEM fuel cell with reference to the reference product PEM fuel cell stack Horizon H-100. Mathematical model of PEM Fuel Cell is acting as a point of reference for the PID controller that generates pulse width (duty cycle) variable as appropriate. With pulse width modulation techniques ( PWM ) to regulate the voltage Buck converter in a closed loop system it will produce a voltage corresponding to the characteristics of PEM fuel cells .

From the test results PEM fuel cell simulator made inferred based on the effective value and the form of graphs that PEM fuel cell simulator is made have the same characteristics as the reference product PEM fuel cell stack Horizon H-100 and has a high degree of similarity to the results of modeling and simulation. Then from the results of testing variation operating variables such as pressure, temperature, number of cells and the amount of fuel flow is obtained in accordance with the theory of relationships that support.

Atas ridho

Dengan rasa hormat, cinta dan sayangku

Ku dedikasikan karya sederhana ini untuk Bapak dan Ibu:

Bapak Sanwani

&

Ibu Asiah

Terima kasih atas cinta, kasih sayang dan doa-nya

“Ya Allah! Ampunilah aku, ibu bapakku dan kasihilah

mereka keduanya, sebagaimana mereka berdua telah

menyayangi aku waktu kecil.”

Aku Belajar,

Aku Berdoa,

Aku Berusaha,

Dan

Aku Mengabdi Kepada Sesama

Karena itu Aku Ada

xvi

10. Karakteristik Perubahan Variabel Operasi PEM Fuel Cell... 23

11. Rangkaian Ekuivalen PEM fuel cell ... 28

C. PEM Fuel Cell Stack Horizon H-100... 28

D. Buck Converter... 32

E. Mikrokontroler ... 35

F. Kontroler Proporsional-Integral-Derivatif (PID) ... 36

G. Rangkaian Pemicu Gate Mosfet (Gate Driver) ... 39

3. Perancangan Perangkat Keras ... 63

4. Pemrograman Mikrokontroler ... 73

5. Pembuatan Alat ... 74

B. Hasil Pengujian Perangkat Keras ... 81

1. Hasil Pengujian Catu Daya ... 81

2. Hasil Pengujian Gate Driver ... 82

3. Hasil Pengujian Buck Converter ... 83

4. Hasil Pengujian Sensor Tegangan ... 86

5. Hasil Pengujian Sensor Arus ... 86

C. Metode Pengoperasian Simulator ... 88

xvii

D. Perbandingan Hasil Pemodelan Simulasi dan Pengujian Simulator

PEM Fuel Cell yang Dibuat pada Mode Default ... 91

1. Hasil Pengujian Mode Kondisi Baseline (Default A) ... 91

2. Hasil Pengujian Mode Kondisi Nilai Tengah (Default B) ... 96

3. Hasil Pengujian Mode Kondisi Maksimum (Default C) ... 100

4. Hasil Pengujian Mode Kondisi Operasi Setengah Total Sel (Default D) ... 104

E. Perbandingan Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat dengan Produk Referensi PEM Fuel Cell Stack Horizon H-100 ... 108

F. Hasil Pengujian Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat Terhadap Perubahan Variabel Operasi ... 112

1. Hasil Pengujian Efek Perubahan Temperatur ... 112

2. Hasil Pengujian Efek Perubahan Tekanan Hidrogen ... 115

3. Hasil Pengujian Efek Perubahan Jumlah Sel ... 118

4. Hasil Pengujian Efek Perubahan Aliran Bahan Bakar Hidrogen (L/menit) ... 121

V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ... 124

B. Saran ... 125

DAFTAR PUSTAKA

xviii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1. Gambar 2.1. Contoh produk PEM fuel cell stack ... 9

2. Gambar 2.2. Prinsip kerja fuel cell. ... 13

3. Gambar 2.3. Prinsip kerja PEM fuel cell ... 15

4. Gambar 2.4. Karakteristik arus dan tegangan PEM fuel cell. ... 22

5. Gambar 2.5. Karakteristik arus dan daya PEM fuel cell ... 23

6. Gambar 2.6. Hubungan temperatur terhadap tegangan PEM fuel cell .. 24

7. Gambar 2.7. Hubungan temperatur terhadap tegangan PEM fuel cell .. 25

8. Gambar 2.8. Hubungan tekanan terhadap tegangan PEM fuel cell ... 26

9. Gambar 2.9. Hubungan jumlah sel terhadap tegangan PEM fuel cell ... 26

10. Gambar 2.10. Rangkaian ekuivalen PEM fuel cell ... 28

11. Gambar 2.11. Proton exchange membrane fuel cell Horizon H-100 .... 29

12. Gambar 2.12. Karakteristik arus dan tegangan PEM fuel cell Stack Horizon H-100 ... 30

13. Gambar 2.13. Karakteristik arus dan daya PEM fuel cell Stack Horizon H-100 ... 31

14. Gambar 2.14. Karakteristik konsumsi hidrogen dan daya PEM fuel cell Stack Horizon H-100 ... 31

xix

16. Gambar 2.16. Rangkaian ekuivalen Buck converter pada keadaan sakelar

tertutup ... 33

17. Gambar 2.17. Rangkaian ekuivalen Buck converter pada keadaan sakelar terbuka ... 33

23. Gambar 3.1. Diagram alir penelitian rancang bangun simulator PEM fuel cell ... 44

24. Gambar 3.2. Model matematik persamaan nernst pada PEM fuel cell . 46

25. Gambar 3.3. Model matematik rugi-rugi aktivasi dan arus internal pada PEM fuel cell ... 48

26. Gambar 3.4. Model matematik rugi resistansi (ohmik) pada PEM fuel cell ... 49

27. Gambar 3.5. Model matematik rugi konsentrasi (concentration losses) pada PEM fuel cell ... 50

28. Gambar 3.6. Model matematik konversi jumlah hidrogen ke dalam arus maksimum pada PEM fuel cell ... 51

29. Gambar 3.7. Model PEM fuel cell menggunakan program Simulink MATLAB ... 53

30. Gambar 3.8. Model Generator Modulasi Lebar Pulsa (PWM) ... 54

xx

32. Gambar 3.10. Model simulasi Pengontrol P-I ... 56

33. Gambar 3.11. Pemodelan dan simulasi simulator PEM fuel cell ... 58

34. Gambar 3.12. Blok diagram prinsip kerja simulator PEM fuel cell ... 63

35. Gambar 3.13. Blok diagram simulator PEM fuel cell ... 64

36. Gambar 3.14. Hasil rancangan rangkaian catu daya utama Buck converter ... 65

48. Gambar 4.6. Bentuk sinyal kontrol (warna kuning) dan sinyal keluaran gate driver ... 83

49. Gambar 4.7. Gelombang ripple tegangan keluaran Buck converter ... 85

50. Gambar 4.8. Fungsi tombol aplikasi menu ... 86

xxi

52. Gambar 4.10. Perbandingan karakteristik arus dan daya antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode baseline ... 95

53. Gambar 4.11. Perbandingan karakteristik arus dan tegangan antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode

nilai tengah (middle) ... 97 54. Gambar 4.12. Perbandingan karakteristik arus dan daya antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode

nilai tengah (middle) ... 99 55. Gambar 4.13. Perbandingan karakteristik arus dan tegangan antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode maksimum ... 102

56. Gambar 4.14. Perbandingan karakteristik arus dan daya antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode maksimum ... 103

57. Gambar 4.15. Perbandingan karakteristik arus dan tegangan antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode setengah total sel ... 106

58. Gambar 4.16. Perbandingan karakteristik arus dan daya antara hasil

pemodelan simulasi dengan hasil simulator PEM fuel cell pada mode

setengah total sel ... 107

59. Gambar 4.17. Perbandingan karakteristik arus dan tegangan antara hasil

pemodelan, simulator PEM fuel cell yang dibuat dan PEM Fuel Cell

xxii

60. Gambar 4.18. Perbandingan karakteristik arus dan daya antara simulator

PEM fuel cell yang dibuat dan PEM Fuel Cell Stack Horizon H-100 . 111 61. Gambar 4.19. Karakteristik Arus dan Tegangan Terhadap Perubahan

Temperatur Hasil Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat ... 113 62. Gambar 4.20. Karakteristik Arus dan Daya Terhadap Perubahan

Temperatur Hasil Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat ... 113 63. Gambar 4.21. Karakteristik Arus dan Tegangan Terhadap Perubahan

64. Tekanan Hidrogen Hasil Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat ... 116

65. Gambar 4.22. Karakteristik Arus dan Daya Terhadap Perubahan Tekanan

Hidrogen Hasil Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat ... 116

66. Gambar 4.23. Karakteristik Arus dan Tegangan Terhadap Perubahan

Jumlah Sel Hasil Simulator PEM Fuel Cell yang Dibuat ... 119 67. Gambar 4.24. Karakteristik Arus dan Daya Terhadap Perubahan Jumlah

xxiii

Tabel 3.1. Parameter pengujian mode kondisi baseline model simulator... 60 Tabel 3.2. Parameter pengujian mode kondisi nilai tengah model simulator .... 60

Tabel 3.3. Parameter pengujian mode kondisi maksimum model simulator ... 61

Tabel 3.4. Parameter pengujian mode setengah total sel model simulator ... 61

Tabel 3.5. Parameter pengujian mode kondisi baseline simulator... 75 Tabel 3.6. Parameter pengujian mode kondisi nilai tengah simulator ... 76

Tabel 3.7. Parameter pengujian mode kondisi maksimum simulator ... 77

Tabel 3.8. Parameter pengujian mode kondisi setengah total sel simulator ... 77

Tabel 4.1. Hasil pengujian catu daya Buck converter ... 82 Tabel 4.2. Pengujian perubahan duty cycle terhadap tegangan keluaran ... 84 Tabel 4.3. Tabel hasil pengujian sensor tegangan... 86

Tabel 4.4. Tabel hasil pengujian sensor arus ... 87

Tabel 4.5. Parameter pengujian mode kondisi baseline (Default A)... 92 Tabel 4.6. Perbandingan hasil pemodelan simulasi dan pengujian simulator

PEM Fuel Cell yang dibuat pada mode kondisi baseline ... 92 Tabel 4.7. Parameter pengujian mode kondisi nilai tengah (default B) ... 96 Tabel 4.8. Perbandingan hasil pemodelan simulasi dan pengujian simulator

xxiv

Tabel 4.10. Perbandingan hasil pemodelan simulasi dan pengujian simulator

PEM fuel cell mode kondisi operasi maksimum ... 100 Tabel 4.11. Parameter pengujian mode kondisi setengah total sel (default D) ... 104 Tabel 4.12. Perbandingan hasil pemodelan simulasi dan pengujian simulator

PEM Fuel Cell yang dibuat pada mode setengah total sel ... 105 Tabel 4.13. Parameter PEMfuel cell Stack Horizon H-100 pada kondisi Standar (Baseline) ... 109 Tabel 4.14. Parameter pengujian simulator pada perubahan temperatur ... 112

Tabel 4.15. Parameter pengujian simulator perubahan tekanan hidrogen ... 115

Tabel 4.16. Parameter pengujian simulator pada perubahan jumlah sel ... 118

Tabel 4.17. Parameter pengujian simulator pada perubahan jumlah aliran

bahan bakar hidrogen ... 121

xxv

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A (Dokumentasi Penelitian)

LAMPIRAN B (Perhitungan Parameter Simulator PEM Fuel Cell ) 1. Parameter Tegangan Reversibel

2. Bilangan Estimasi Persamaan Arus Maksimum 3. Luas Penampang Sel

LAMPIRAN C (Perhitungan Perbandingan Hasil Simulator PEM Fuel Cell) 1. Perhitungan Error Buck Konverter

2. Tegangan Keluaran (Vout) Buck Konverter 3. Error Sensor Tegangan, Error Sensor Arus

4. Simpangan Error Antara Pemodelan Simulasi dan Hasil Simulator 5. Tabel Perbandingan Perubahan Parameter

LAMPIRAN D (Diagram Alir Sistem Operasi Simulator) LAMPIRAN E (Listing Program Mikrokontroler Arduino) LAMPIRAN F (Datasheet-datasheet)

1. Fuel Cell Stack Horizon H-100 2. Mikrokontroler Arduino Mega 2560 3. Mosfet 460A

4. Gate Driver HCPL 3120 5. Sensor Arus ACS712

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Saat ini energi listrik merupakan kebutuhan dasar bagi kehidupan manusia,

mulai dari sektor industri, transportasi, komersial hingga perumahan.

Akibatnya manusia mengembangkan teknologi untuk pemenuhan energi

hingga peningkatan efesiensi energi yang digunakan. Namun sayangnya

pemenuhan energi sebagian besar menggunakan energi primer yang tidak

dapat diperbaharui (energi fosil) seperti batubara dan minyak bumi. Energi

fosil ini semakin menipis persediannya dan menghasilkan emisi gas buang

hasil pembakaran yang berbahaya dan terbukti meningkatkan pemanasan

global. Oleh karena itu manusia dituntut untuk dapat memenuhi kebutuhan

energinya menggunakan sumber energi alternatif yang memiliki kerapatan

energi tinggi dan ramah lingkungan. Salah satu energi alternatif yang saat ini

semakin berkembang dari segi teknologi dan kapasitasnya adalah sel bahan

bakar (fuel cell).

Fuel cell adalah suatu perangkat elektrokimia yang berfungsi menghasilkan energi listrik dari suatu reaksi reduksi-oksidasi antara gas alam atau hidrogen

2

tinggi, kerapatan energi tinggi, rendah emisi (emisi adalah air), kontinyuitas

dan statis. Salah satu jenis fuel cell yang saat ini paling banyak digunakan terutama pada kendaraan dan pembangkit listrik adalah PEM fuel cell (Proton

Exchange Membrane Fuel Cell). [13]

Di Indonesia pengembangan PEM fuel cell sebagai sumber energi alternatif masih sangat sedikit padahal dilihat dari potensi gas alam dan sumber-sumber

hidrogen di Indonesia adalah cukup besar. Hal ini dikarenakan minimnya

penelitian dan para ahli di Indonesia di bidang energi alternatif tersebut

sangatlah terbatas. Salah satu kendala minimnya penelitian PEM fuel cell

adalah karena biaya keseluruhan sistem PEM fuel cell sangat mahal dan memiliki tindakan keamanan sistem yang cukup tinggi. Untuk menjawab

permasalahan tersebut adalah dengan membuat simulator PEM fuel cell yang memiliki karakteristik yang sama dengan karakteristik PEM fuel cell sebenarnya sehingga proses penelitian dan pengembangan dari sebuah PEM

fuel cell dapat diketahui tanpa terhalang oleh kondisi apapun. Selain itu penelitian dengan menggunakan simulator, parameter pengujian dapat lebih

variatif bahkan hingga parameter ekstrim sekalipun.

Inti dari penelitian ini adalah bagaimana menciptakan sebuah simulator PEM fuel cell berbasis Buck konverter dan mikrokontroler yang memiliki karakteristik yang sama dengan karakteristik PEM fuel cell sebenarnya

terhadap beberapa variabel operasi sebuah PEM fuel cell seperti jumlah sel dalam stack, tekanan hidrogen dan oksigen, jumlah aliran bahan bakar dan

3

mengenai simulator PEM fuel cell diantaranya ”Design of a PEM Fuel cell Simulator Based on DC-DC Buck Converter” oleh Georgi Georgievski dan Goce L. Arsov yang membahas sistem pemodelan dan simulasi PEM fuel cell

menggunakan software ISIS PROTEUS. Dari penelitian ini didapatkan gambaran tentang penggunaan Buck konverter pada pembuatan simulator

PEM fuel cell. Kemudian dengan judul “Studi Pemodelan dan Simulasi Sel

Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel cell)” oleh Muhammad Ismail Aji di Institute Teknologi Bandung yang

membahas sistem pemodelan analisis kuantitatif PEM fuel cell sebagai

pembangkit listrik residensial (perumahan). Dari penelitian ini didapatkan

sistem pengoperasian dan variabel-variabel operasi pada PEM fuel cell. Dari kedua penelitian tersebut masih sebatas perancangan dan simulasi

menggunakan program (software). Untuk itu tujuan dari penelitian ini selain melakukan pengembangan sistem pemodelan dan simulasi pada PEM fuel cell dengan menggunakan Simulink MATLAB juga merancang dan menciptakan

sebuah perangkat keras (hardware) prototipe simulator PEM fuel cell berbasis Buck konverter dan mikrokontroler yang memiliki karakteristik yang sama

dengan PEM fuel cell sebenarnya.

B. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah :

1. Merancang dan membangun prototipe simulator PEM fuel cell berbasis Buck konverter dan mikrokontroler yang memiliki karakteristik yang sama

4

2. Melakukan variasi nilai variabel operasi seperti jumlah sel dalam stack,

tekanan reaktan, jumlah aliran hidrogen dan temperatur terhadap variabel

elektris yang dihasilkan oleh pemodelan dan simulator PEM fuel cell

seperti tegangan, arus dan daya.

3. Membandingkan hasil keluaran prototipe simulator PEM fuel cell yang

dibuat dengan produk referensi Horizon H-100 PEM fuel cell stack.

4. Membandingkan hasil keluaran prototipe simulator PEM fuel cell yang dibuat dengan pemodelan dan simulasi.

C. Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dapat tercapai dalam penelitian ini adalah sebagai

berikut :

1. Dapat menghasilkan suatu prototipe simulator PEM fuel cell berbasis Buck konverter dan mikrokontroler yang bersifat interaktif, terkontrol dan

aplikatif dengan aplikasi menu yang dapat melakukan variasi variabel

operasi.

2. Mengetahui hubungan variabel operasi seperti jumlah sel dalam stack,

tekanan reaktan, jumlah aliran hidrogen dan temperatur terhadap variabel

elektris yang dihasilkan PEM fuel cell seperti tegangan, arus dan daya.

3. Mengetahui hubungan hasil keluaran simulator PEM fuel cell yang dibuat dengan produk referensi Horizon H-100 PEM fuel cell stack.

5

D. Kerangka Pemikiran

Pada penelitian ini akan dibahas mengenai rancang bangun prototipe

simulator PEM fuel cell berbasis Buck konverter dan mikrokontroler. Proses perancangan prototipe simulator PEM fuel cell mula-mula dimodelkan

dengan menggunakan program Simulink MATLAB. Pemodelan dilakukan

berdasarkan model matematik dari suatu sistem PEM fuel cell sebenarnya.

Model matematik PEM fuel cell ini secara umum terdiri dari potensial standar PEM fuel cell (Eo), persamaan Nernst dan rugi-rugi yang berlaku pada PEM fuel cell seperti rugi aktivasi, rugi arus internal, rugi ohmik dan rugi

konsentrasi. Untuk setiap segmen model PEM fuel cell direpresentasikan sebagai subsistem menjadi kesatuan sistem model PEM fuel cell. Subsistem

ini masing-masing mewakili persamaan Nernst dan rugi-rugi pada PEM fuel cell. Emulator PEM fuel cell yang dibuat secara umum terdiri atas beberapa komponen utama yaitu PEM fuel cell model, PWM generator, kontroler P-I

dan Buck konverter. Prinsipnya yaitu mengontrol Buck konverter agar

memiliki karakteristik pembebanan yang sama dengan PEM fuel cell model.

Karakteristik PEM fuel cell ini dinyatakan sebagai karakteristik arus-tegangan yaitu perubahan pembebanan akan mengakibatkan tegangan jatuh tertentu

sesuai dengan karakteristik dan parameter PEM fuel cell model yang dibuat.

Untuk itu arus keluaran Buck konverter akan diumpanbalikan ke PEM fuel cell model yang selanjutnya akan dikonversikan sebagai tegangan set point

bagi Buck konverter. Kemudian melalui pengontrol P-I-D akan didapatkan

6

dengan frekuensi 40 KHz. Gelombang pulsa akan digunakan sebagai pemicu

gate MOSFET pada Buck konverter yang selanjutnya akan menghasilkan tegangan yang sesuai dengan karakteristik PEM fuel cell model yang dibuat.

Dalam hal ini PEM fuel model, PWM generator dan kontroler P-I-D merupakan komponen kode program terstruktur dalam mikrokontroler

sehingga perangkat yang digunakan secara umum terdiri atas mikrokontroler,

gate driver, Buck konverter, perangkat masukan seperti keypad, push botton dan potensiometer dan perangkat keluaran seperti LCD dan komputer.

Pengujian simulator PEM fuel cell yang dibuat secara umum terdiri dari dua buah kondisi yaitu kondisi operasi dasar (base condition) dan kondisi variasi

variabel operasi. Kondisi operasi dasar adalah pengujian PEM Fuel cell simulator mengikuti produk referensi yang bertujuan untuk mengetahui

apakah PEM Fuel cell yang dibuat memiliki kesamaan karakteristik terhadap

produk PEM Fuel cell referensi dimana produk referensi PEM Fuel cell stack yang digunakan adalah PEM Fuel cell Stack Horizon H-100. Kemudian pengujian variasi variabel operasi bertujuan untuk mengetahui hubungan

variabel operasi seperti jumlah sel dalam stack, tekanan hidrogen, jumlah aliran hidrogen dan temperatur terhadap variabel elektris seperti tegangan,

arus dan daya yang dihasilkan PEM fuel cell.[3]

E. Hipotesis

Tegangan yang dihasilkan oleh sebuah PEM fuel cell dipengaruhi oleh faktor eksternal dan internal diantaranya yaitu temperatur, tekanan, jumlah aliran

7

mengakibatkan kenaikan atau penurunan tegangan yang dihasilkan. Penurunan

tegangan pada PEM fuel cell ini dinyatakan sebagai rugi-rugi diantaranya yaitu rugi aktivasi, rugi arus internal, rugi resistansi, dan rugi konsentrasi.

Rugi-rugi ini secara khusus membentuk karakteristik pembebanan pada PEM fuel cell, dimana karakteristik ini dinyatakan sebagai karakteristik

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Fuel Cell

Fuel cell adalah suatu perangkat elektrokimia yang berfungsi untuk

menghasilkan energi listrik melalui reaksi redoks dari suatu bahan bakar

hidrogen [16]. Fuel cell termasuk dalam energi alternatif baru yang memiliki

kelebihan yaitu efisiensi tinggi, ramah lingkungan, rendah emisi karena secara

teori hasil reaksinya adalah air. Bahan bakar atau reaktan yang umum

digunakan pada fuel cell adalah hidrogen di sisi anoda dan oksigen di sisi

katoda. Reaksi antara hidrogen dan oksigen ini berlangsung pada suatu reaktor

yang terdiri atas elektroda, katalisator dan elektrolit. Katalisator berfungsi

untuk mempercepat reaksi redoks yang berlangsung pada reaktor fuel cell tanpa

ikut bereaksi bersama bahan bakar sedangkan elektrolit berfungsi sebagai

media transfer elektron yang dihasilkan dari oksidasi hidrogen di anoda. Fuel

cell dirancang untuk dapat diisi reaktannya yang terkonsumsi secara kontinyu selama memproduksi listrik. Reaktan mengalir masuk dan produk dari reaktan

mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang dapat terus menerus

dilakukan selama disuplai oleh bahan bakar (hidrogen) dan oksigen [9]. Salah

9

Gambar 2.1. Contoh produk PEM fuel cell stack [17]

Gambar 2.1 diatas adalah salah satu contoh produk fuel cell. Sebuah produk fuel cell biasanya terdiri atas saluran masukan dan keluaran bahan bakar

(hidrogen), saluran masukan dan keluaran udara, saluran keluaran air dan

terminal tegangan keluaran.

1. Jenis-Jenis Fuel Cell

Fuel cell memiliki jenis yang beragam dengan tingkat pengembangan dan aplikasi yang berbeda pula. Jenis fuel cell dapat dibedakan berdasarkan

beberapa karakteristik, diantaranya adalah jenis elektrolit dan bahan bakar

yang digunakan. Pemilihan tipe elektrolit mempengaruhi perbedaan

temperatur kerja masing-masing fuel cell. Temperatur kerja dan sel tersebut

juga akan mempengaruhi tipe material lain yang digunakan seperti

10

mempengaruhi tingkat pemrosesan bahan bakar sebelum masuk ke dalam

unit sel.

Pada fuel cell bertemperatur rendah semua bahan bakar harus dikonversikan

menjadi hidrogen. Fuel cell juga dapat diklasifikasikan berdasarkan proses yang terjadi. Fuel cell dibagi menjadi langsung, tidak langsung dan regeneratif sel. Bahan bakar langsung dapat diartikan sebagai fuel cell yang

langsung menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar yang akan diproses,

sedangkan fuel cell tidak langsung memakai bahan bakar hidrokarbon lain

yang terlebih dahulu diubah menjadi hidrogen. Sedangkan fuel cell regeneratif adalah tipe fuel cell yang menggunakan kembali produk yang dihasilkan dalam proses selanjutnya. [9]

Klasifikasi fuel cell yang umum berdasarkan tipe elektrolit dan bahan bakar diantaranya [5][9] :

1. Alkaline Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Alkali / AFC.

2. Phosphoric Acid Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / PAFC. 3. Molten Carbonate Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Karbon / MCFC. 4. Solid Oxide Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Oksida Padat / SOFC. 5. Direct Methanol Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Metanol / DMFC.

6. Proton Exchange Membrane Fuel Cell / Sel Bahan Bakar Membrane

11

2. Bagian-Bagian Fuel Cell

Secara umum sebuah fuel cell memiliki bagian-bagian sebagai berikut [19] :

1. Elektrolit

Elektrolit merupakan pemisah antara katoda dan anoda. Elektrolit berfungsi

untuk memindahkan ion-ion yang terlibat dalam reaksi-reaksi reduksi dan

oksidasi dalam fuel cell. Elektrolit sangat berpengaruh pada kinerja fuel cell. Elektrolit dapat berbentuk cairan, gas dan padat.

2. Katoda

Katoda merupakan elektroda yang berinteraksi dengan udara yang berfungsi

menjadi batas untuk oksigen dan elektrolit, mengkatalis reaksi reduksi

oksigen dan menghubungkan elektron-elektron dari sirkuit luar ke tempat

reaksi.

3. Anoda

Anoda merupakan elektroda yang berinteraksi dengan bahan bakar yang

berfungsi menjadi batas untuk bahan bakar dan elektrolit, mengkatalis reaksi

oksidasi dan menghubungkan elektron-elektron dari tempat reaksi elektron

ke sirkuit eksternal.

4. Reaktan

Reaktan adalah bahan baku atau bahan bakar yang digunakan pada fuel cell

yang reaksinya menghasilkan energi listrik. Bahan bakar atau reaktan yang

12

5. Produk

Produk adalah hasil dari reaksi reaktan didalam fuel cell. Pada fuel cell produk yang dihasilkan secara teori adalah air , energi listrik dan kalor.

Namun biasanya juga menghasilkan sedikit emisi.

6. Katalis

Katalis yaitu material atau bahan khusus untuk mempercepat proses reaksi

kimiawi atau reduksi-oksidasi. Pada PEM fuel cell biasanya digunakan bahan dari platina atau campuran platina dengan material lain. Tiap individu

fuel cell terdiri dari anoda, katoda dan elektrolit yang dihubungkan secara

seri membentuk tumpukan (stack) fuel cell, yang biasanya disebut dengan fuel cell stack. Konfigurasi seri fuel cell stack ini untuk menghasilkan

tegangan keluaran yang lebih tinggi.

3. Prinsip Kerja Fuel Cell

Prinsip kerja sebuah fuel cell dapat diilustrasikan seperti pada gambar 2.2.

dimana terdapat 2 elektroda yaitu anoda dan katoda diantara elektrolit yang

terpisah satu sama lain. Bahan bakar, dalam hal ini hidrogen akan dialirkan

ke permukaan anoda dengan tekanan gas tertentu sesuai kebutuhan. Dan

secara bersamaan oksigen yang berasal dari udara bebas, dialirkan

kepermukaan elektroda yang lain (katoda). Saat elektroda dihubungkan

dengan beban dari luar, maka proses yang terjadi sebagai berikut [7][9][11]:

1. Hidrogen (H2) yang menyentuh permukaan anoda akan beraksi secara

13

Sedangkan di katoda terjadi reaksi kimia (oksidasi ) dimana oksigen (O2)

diubah menjadi ion.

2. Ion hidrogen (H+) akan bergerak dari permukaan elektroda (anoda)

menuju katoda melalui elektrolit.

3. Sedangkan elektron di anoda bergerak melalui kawat yang dihubungkan

dengan beban sirkuit di luar yang akhirnya menuju elektoda yang sama

dituju ion hidrogen (H+) yaitu katoda.

4. Ion hidrogen dan elektron akan mengalami reaksi kimia dengan oksigen

di katoda maka pada permukaannya akan menghasilkan air (H2O) dan

panas sebagai efek dari reaksi tersebut.

14

Berikut adalah reaksi yang terjadi pada fuel cell secara umum [15]:

Anoda : 2H2 4H+ + 4e- (1) Katoda : O2 + 4e- + 4H+ 2H2O (2)

Total : 2H2 + O2 2H2O + Listrik + Panas (3)

B. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell)

Salah satu jenis fuel cell yang paling banyak digunakan adalah Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM fuel cell). PEM fuel cell menggunakan membran polimer sebagai elektrolitnya. Pada fuel cell jenis ini terjadi

pertukaran proton yang ditransfer melalui elektrolit yang berada diantara anoda

dan katoda. Elektrolit membran polimer pada PEM fuel cell dapat melewatkan

ion-ion hidrogen namun bersifat isolator terhadap elektron. PEM fuel cell menggunakan reaktan hidrogen murni sebagai bahan bakar utamanya. [9]

1. Prinsip Kerja Proton Exchange Membrane (PEM Fuel Cell)

Pada dasarnya PEM fuel cell memiliki prinsip kerja yang sama dengan jenis fuel cell lainnya. Namun yang membedakan adalah pada PEM fuel cell

menggunakan elektrolit membran polimer dan reaktan hidrogen murni.

Selain itu juga beroperasi pada suhu dan tekanan yang rendah. Proses reaksi

elektrokimia pada PEM fuel cell ini dimulai pada sisi anoda seperti pada

15

Gambar 2.3. Prinsip kerja PEM fuel cell [11]

Pada gambar 2.3, ketika hidrogen terdifusi pada anoda yang mengandung

katalisator logam inert (platina) maka hidrogen akan mengalami reaksi reduksi akibat logam platina tersebut, yaitu melepaskan ion hidrogen dan

elektron. Elektron akan terakumulasi pada anoda (elektroda positif)

sedangkan ion hidrogen akan ditransfer melalui membran elektrolit polimer

menuju katoda. Saat antara katoda dan anoda diberikan beban listrik maka

elektron akan mengalir dari anoda ke katoda. Aliran elektron inilah

digunakan sebagai energi listrik yang dibangkitkan oleh PEM fuel cell. Saat elektron tiba di katoda bersama dengan ion-ion hidrogen maka akan terjadi

reaksi oksidasi oleh oksigen yaitu terjadi pengikatan ion-ion hidrogen

16

2. Energi dan Potensial Reversibel PEM Fuel Cell

Besarnya energi yang dihasilkan pada fuel cell tergantung pada tekanan reaktan dan temperatur sel. Dengan menggunakan persamaan Gibbs,

besarnya energi ini dinyatakan sebagai berikut:

�� = ��0 − ln ₂ + 1

2ln 2 ] (4)

Dimana ��0 adalah perubahan pelepasan energi Gibbs pada tekanan

standar (kJ mol-1), R adalah konstanta universal gas (8.314 J/K.mol), Tfc

adalah temperatur PEM fuel cell (Bar), PH2 adalah tekanan hidrogen (Bar)

dan PO2 adalah Tekanan Oksigen (Bar) [4]. Untuk beberapa temperatur,

besarnya energi ini ditunjukan dalam tabel 2.1 berikut :

Tabel 2.1. Hubungan temperatur dan energi Gibbs pada PEM fuel cell [9] No Fase Produk Air Temperatur (oC) ��0 (kJ mol-1)

1 Cair 25 −237,2

2 Cair 50 −228,2

3 Gas 80 −226,1

4 Gas 100 −225,2

5 Gas 200 −220,4

6 Gas 400 −210,3

7 Gas 600 −199,6

8 Gas 800 −188,6

17

Besarnya potensial reversibel sebuah PEM fuel cell dapat dicari dengan

persamaan [9]:

adalah konstanta Faraday (96485 Coulomb). Sehingga untuk temperatur

operasi 200o C besarnya potensial reversibelnya adalah :

Eo =− −220,4

2 x 96485 x 1000 = 1,14 Volt (6)

Dalam kondisi sebenarnya potensial reversibel tersebut dapat lebih kecil.

Hal ini dikarenakan faktor kemurnian hidrogen, tekanan dan kondisi reaksi

berlangsung. Dalam kondisi operasi berbeban, tegangan fuel cell memiliki karakteristik tertentu. Hal ini karena pada fuel cell terdapat rugi-rugi (drop

tegangan) yaitu rugi-rugi aktivasi (activation losses), rugi-rugi resistansi (ohmic losses) dan rugi-rugi konsentrasi (concentration losses). [4]

3. Persamaan Nernst pada PEM Fuel Cell

Persamaan Nernst menyatakan besarnya tegangan fuel cell pada kondisi

beban nol (open circuit). Besarnya tegangan pada PEM fuel cell ini dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur operasi [13]. Hal ini dijelaskan

18

Dimana :

Efc = Tegangan beban nol fuel cell (Volt)

Eo = Besarnya potensial reversibel (Volt)

2= Tekanan hidrogen (Bar)

2 = Tekanan oksigen (Bar)

2 = Tekanan uap air (Bar)

R = Konstanta universal gas (8.314 J/K.mol)

T = Temperatur (Kelvin)

Dari persamaan diatas maka diketahui bahwa semakin besar tekanan reaktan

dan temperatur PEM fuel cell maka tegangannya semakin besar.[9]

4. Rugi Aktivasi dan Arus Internal PEM Fuel Cell

Rugi aktivasi di anoda dan katoda terjadi dari reaksi pemutusan dan

pembentukan elektron-proton ikatan kimia. Sedangkan arus internal terjadi

pada elektron di elektrolit yang diakibatkan dari timbulnya aliran

pembuangan bahan bakar melalui elektrolit yang terdifusi dalam elektrolit

[13][5]. Besarnya kedua rugi tersebut dinyatakan sebagai:

�_� =

2� ln

� +�

� (8)

Dimana :

Vact = Rugi aktivasi dan arus internal (Volt)

ifc = Arus PEM fuel cell (A)

in = Densitas Arus internal pada rugi arus internal (A/cm2)

19

α = Koefisien transfer perubahan reaksi (0-1)

R = Konstanta universal gas (8.314 J/K.mol)

T = Temperatur (Kelvin)

5. Rugi Resistansi (Ohmic Losses)

Elektroda dan elektrolit memiliki sifat resistif. Akibat sifat resistif ini timbul

tegangan jatuh yang besarnya linear terhadap arus fuel cell. Resistivitas pada fuel cell ini dinyatakan sebagai area specific resistance (ASR) yaitu besarnya resistansi fuel cell setiap luas permukaan penampang [13][5].

Besarnya rugi resistansi ini dinyatakan sebagai berikut :

� _ℎ = ��� � � + � (9)

Dimana :

A = Luas penampang PEM fuel cell (cm2) ASR = area specific resistance (Ohm/ cm2) ifc = Arus PEM fuel cell (A)

in = Densitas arus internal pada rugi arus internal (A/cm2)

6. Rugi Konsentrasi (Concentration Losses)

Rugi konsentrasi (concentration) terjadi akibat perubahan konsentrasi dari reaktan yang mengalir pada elektroda selama bahan bakar digunakan.

Karena penurunan konsentrasi mengakibatkan reaktan gagal mengalir

dengan cukup pada permukaan elektroda (mass transport loss). Rugi

20

maksimum pada PEM fuel cell. Hal ini karena batas konsentrasi / aliran

hidrogen berkorelasi positif terhadap jumlah arus maksimum yang

dihasilkan PEM fuel cell.[13][5][2]

Rugi konsentrasi atau mass transport ini dirumuskan sebagai [13][2]:

� =

imax = Arus maksimum (arus kritis) PEM fuel cell (Ampere)

F = Konstanta Faraday (96.485 Coulomb)

R = Konstanta universal gas (8.314 J/K.mol)

T = Temperatur (Kelvin)

α = Koefisien transfer perubahan reaksi (0-1)

7. Kapasitas Arus Maksimum PEM Fuel Cell

Pada rugi konsentrasi dipengaruhi oleh besarnya arus maksimum. Arus

maksimum pada PEM fuel cell dipengaruhi oleh temperatur, tekanan dan

banyaknya aliran hidrogen yang disuplai ke PEM fuel cell (Liter/menit). Proses konversi dari jumlah hidrogen ke bentuk arus ini didapatkan

berdasarkan persamaan Faraday dan hukum gas ideal sebagai berikut [5][3]:

� ��= 2 � 0.98 � 2 � � ��� bil. estimasi

� � 60 (11)

Dimana :

imax = Arus maksimum (arus kritis) PEM fuel cell (Ampere)

21

Eff = Efisiensi PEM fuel cell (%)

z = Jumlah elektron valensi hidrogen (2)

F = Konstanta Faraday (96.485 Coulomb)

R = Konstanta universal gas (8.314 J/K.mol)

T = Temperatur (Kelvin)

8. Tegangan Operasi PEM Fuel Cell

Tegangan operasi PEM fuel cell mencangkup tegangan reversibel, tegangan

beban nol persamaan Nernst dan rugi-rugi yang berlaku pada PEM fuel cell yaitu rugi aktivasi,rugi arus internal, rugi ohmik dan rugi konsentrasi /

transport. Sehingga besarnya tegangan operasi ini dirumuskan sebagai

berikut [15][6]:

� = ( − �_� − �_ℎ − � ) (12)

Dimana :

N = Jumlah sel dalam stack

Efc = Tegangan beban nol (V)

Vact = Rugi aktivasi dan arus internal (V)

Vohm = Rugi resistansi (V)

Vcon = Rugi konsentrasi (V)

Persamaan diatas secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai persamaan

22

9. Karakteristik Listrik PEM Fuel Cell

Akibat adanya rugi-rugi pada PEM fuel cell yaitu rugi aktivasi, rugi arus

internal, rugi ohmik dan rugi konsentrasi yang sebanding dengan arus pada

PEM fuel cell. Maka pada PEM fuel cell memiliki karakteristik listrik tertentu. Karakteristik ini digambarkan sebagai hubungan arus dan tegangan

yang digambarkan pada gambar 2.4 Karakteristik ini terbagi menjadi

karakteristik beban nol (open circuit), berbeban dan hubung singkat (short circuit). Pada saat beban nol, besarnya tegangan PEM fuel cell adalah

tegangan maksimum yaitu tegangan persamaan Nersnt. Saat mulai dibebani

maka penurunan tegangan mulai terjadi terutama akibat rugi aktivasi, rugi

arus internal dan rugi ohmik. Disaat pembebanan maksimum maka tegangan

akan jatuh mendekati nol akibat adanya konsentrasi kritis dari bahan bakar

dan efek hubung singkat (short circuit).

23

Karakteristik tegangan dan arus ini menghasilkan karakteristik hubungan

arus dan daya pada PEM fuel cell seperti dijelaskan pada gambar 2.5 berikut. Daya pada PEM fuel cell akan sebanding dengan arus yang

mengalir hingga pada titik daya maksimum yang dapat dihasilkannya.

Gambar 2.5. Karakteristik arus dan daya PEM fuel cell. [2]

10. Karakteristik Perubahan Variabel Operasi PEM Fuel Cell

Ada beberapa hal dapat mempengaruhi kinerja dan daya yang dihasilkan

oleh sebuah PEM fuel cell yaitu diantaranya ialah :

1. Jumlah aliran reaktan hidrogen

Banyaknya hidrogen yang disuplai ke dalam PEM fuel cell berpengaruh besar terhadap arus dan daya yang dihasilkan. Semakin banyak reaktan

hidrogen maka akan semakin banyak elektron dan ion positif yang

terbentuk dalam reaktor PEM fuel cell. Jumlah aliran hidrogen juga

24

PEM fuel cell tersebut [9]. Hubungan jumlah hidrogen ini dijelaskan

pada gambar 2.6 berikut :

Gambar 2.6. Hubungan temperatur terhadap tegangan PEM fuel cell (Gambar hasil simulasi Phyton 2.7)

Pada gambar 2.6 terdapat tiga buah grafik dengan variasi jumlah

hidrogen yakni grafik berwarna hijau, biru dan kuning dengan nilai

masing-masing 30%, 60% dan 90% dimana 100% hidrogen sama dengan

2 Liter/menit hidrogen. Dari ketiga grafik tersebut dapat diketahui bahwa

semakin besar jumlah hidrogen yang digunakan PEM fuel cell maka semakin besar kapasitas arus maksimum yang dihasilkan PEM fuel cell.

2. Temperatur

Tempereratur mempengaruhi laju reaksi hidrogen dan oksigen di dalam

PEM fuel cell. Dalam hal ini mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh PEM fuel cell tersebut, semakin rendah temperatur

operasi maka menghasilkan tegangan keluaran yang semakin besar pula

[9]. Hubungan perubahan temperatur terhadap keluaran PEM fuel cell ini

dapat dilihat pada gambar 2.6. Pada gambar 2.6 terdapat tiga buah grafik

25

dengan nilai temperatur masing-masing 300, 400 dan 500 Kelvin. Dari

ketiga grafik tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar temperatur

operasi PEM fuel cell maka semakin kecil tegangan keluaran yang

dihasilkan PEM fuel cell.

Gambar 2.7. Hubungan temperatur terhadap tegangan PEM fuel cell (Gambar hasil simulasi Phyton 2.7)

3. Tekanan reaktan dan produk

Tekanan yang makin tinggi menghasilkan kerapatan hidrogen yang

makin tinggi. Semakin tinggi kerapatan hidrogen maka semakin besar

jumlah mol hidrogen yang tersedia [9]. Hubungan tekanan dan tegangan

26

Gambar 2.8. Hubungan tekanan terhadap tegangan PEM fuel cell. [9]

Pada gambar 2.8 saat tekanan operasi lebih tinggi, tegangan pada PEM fuel cell lebih besar daripada saat tekanan atmosfir. Dengan demikian

semakin tinggi tekanan kerja sebuah PEM fuel cell dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar.

4. Konsentrasi atau kemurnian reaktan

Konsentrasi dapat dinyatakan sebagai konsentrasi hidrogen atau oksigen

dalam udara. Semakin besar konsentrasi reaktan yang digunakan maka

akan semakin besar daya yang dapat dihasilkan oleh fuel cell tersebut.[9]

5. Konsentrasi katalis platina dalam anoda

Logam platina digunakan sebagai katalis penting pada PEM fuel cell. Karena harga logam platina yang mahal dan dengan jumlah yang terbatas

27

anoda, komposisi antara anoda dan katoda ini dinyatakan sebagai

konsentrasi. Semakin besar konsentrasi platina dalam anoda maka proses

reaksi berlangsung semakin baik, sehingga menghasilkan tegangan yang

lebih besar. [9]

6. Jumlah sel dalam stack

Pada PEM fuel cell untuk menghasilkan tegangan yang besar maka setiap

satu buah sel yang terdiri dari satu anoda dan katoda diserikan.

Konfigurasi seri antar sel ini disebut sebagai tumpukan (stack). Berikut adalah grafik yang menjelaskan jumlah sel dalam stack terhadap

tegangan yang dihasilkan [9]. Hubungan perubahan jumlah sel terhadap

keluaran PEM fuel cell ini dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut :

Gambar 2.9. Hubungan jumlah sel terhadap tegangan PEM fuel cell (Gambar hasil simulasi Phyton 2.7)

Pada gambar 2.9 terdapat tiga buah grafik dengan variasi jumlah sel

yakni grafik berwarna merah, biru dan merah muda dengan nilai

28

tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar jumlah sel pada PEM fuel

cell maka semakin besar tegangan keluaran yang dihasilkan PEM fuel cell.

11. Rangkaian Ekuivalen PEM Fuel Cell

Bentuk dinamis sebuah PEM fuel cell dapat direpresentasikan dalam

bentuk ekuivalen rangkaian listrik seperti pada gambar 2.10 berikut :

Gambar 2.10. Rangkaian ekuivalen PEM fuel cell. [16].

Pada gambar 2.10, EFC mewakili tegangan beban nol fuel cell, sedangkan

RS mewakili rugi ohmik, CDL dan RP yang tersusun paralel mewakili

impedansi dan kapasitansi geometrik antara anoda dan katoda, IFC

mewakili arus yang mengalir pada fuel cell dan Vfc mewakili tegangan

terminal fuel cell.

C. Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Horizon H-100

Proton exchange membrane fuel cell stack Horizon H-100 adalah salah satu produk PEM fuel cell buatan Horizon Fuel Cell Technologies yang memiliki

29

sebesar 12 Ampere dan tegangan beban nol sebesar 20 Volt [16]. Produk ini

menjadi satu-satunya PEM fuel cell yang menjadi referensi / acuan bagi simulator PEM fuel cell yang dibuat. Gambar dan bagian-bagian dari PEM fuel

cell stack Horizon H-100 ini dijelaskan pada gambar 2.11 berikut :

Gambar 2.11. Proton exchange membrane fuel cell Horizon H-100.[16]

Proton exchange membrane fuel cell stack Horizon H-100 ini memiliki spesifikasi yang dijelaskan pada tabel 2.2 berikut :

Tabel 2.2. Parameter PEM fuel cell stack Horizon H-100 [16]

No Parameter Nilai

1 Jumlah Sel (N) 20

2 Rate Power 100 W

3 Temp. Stack Maksimum 65o C

4 Tekanan Hidrogen 0.45-0.55 bar

5 Aliran Hidrogen Maximum 1.3 L/min

30

8 Over Current Shut Down 12 Ampere

9 Arus Maksimum Mode Standar 9.5 Ampere

Karakteristik Proton exchange membrane fuel cell stack Horizon H-100 terdiri

atas karakteristik arus-tegangan pada kondisi baseline yang dijelaskan pada gambar 2.12 berikut :

Gambar 2.12. Karakteristik arus dan tegangan PEM fuel cell Stack Horizon H-100 (datasheet).[16]

Hubungan arus dan tegangan ini secara khusus membentuk karakteristik

pembebanan dimana semakin besar pemakaian arus maka semakin kecil

tegangan terminal fuel cell. Dari hubungan tegangan dan arus ini membentuk hubungan arus dan daya fuel cell yang dijelaskan pada gambar 2.13. Semakin besar arus maka semakin besar daya yang digunakan hingga pada saat titik

kritis dimana daya maksimum fuel cell tersedia. Selain itu terdapat hubungan banyaknya jumlah aliran hidrogen yang disuplai terhadap besarnya daya yang

31

Gambar 2.13. Karakteristik arus dan daya PEM fuel cell Stack Horizon H-100 (datasheet).[16]

Pada gambar 2.14, semakin besar jumlah hidrogen akan menghasilkan daya

listrik yang semakin besar pula. Namun dititik tertentu terdapat batasan dimana

daya listrik tidak mengalami kenaikan yang signifikan terhadap penambahan

jumlah aliran hidrogen (titik kritis).

32

D. Buck Converter

Buck converter adalah salah satu konverter DC ke DC yang digunakan untuk

menurunkan dan mengontrol tegangan. Tegangan keluaran (Vout) dikontrol

dengan mengatur lebar pulsa atau duty cycle (D) pada komponen switch (S). [4]

Topologi sederhana dari rangkaian Buck converter ini dapat dilihat pada gambar 2.15 berikut :

Gambar 2.15. Topologi sederhana rangkaian Buck converter. [4]

1. Prinsip Kerja Buck Converter

Pada dasarnya Buck konverter digunakan untuk menurunkan tegangan dengan

mengatur lebar pulsa pensaklaran komponen switch. Komponen saklar (switch) yang umum digunakan biasanya seperti Mosfet, IGBT dan Transistor BJT. [4]

Prinsip dari Buck konverter ini dibagi menjadi dua mode yaitu mode saat saklar

off dan sakelar on. Dimana :

1. Ketika saklar tertutup (on)

Dioda bekerja reversed/block sehingga suplai masukan mengalir ke induktor (L) juga ke beban dan terjadi penyimpanan muatan oleh induktor.

33

Gambar 2.16. Rangkaian ekuivalen Buck converter pada keadaan saklar tertutup. [4]

Pada saat kondisi saklar tertutup (on) berlaku persamaan sebagai berikut :

� = � = �� − � , =

0

(14)

� = �� −� � (15)

2. Ketika saklar terbuka (off)

Dioda bekerja forward/unblock sehingga energi yang disimpan di induktor dapat mengalir ke beban. Kondisi saklar terbuka ini dijelaskan pada

gambar 2.17 berikut :

34

Pada saat kondisi saklar terbuka (off) berlaku persamaan sebagai berikut :

� = � = −� , = 1−

Sehingga besarnya tegangan keluaran pada Buck converter dapat dirumuskan dengan :

� =�� . (21)

Kemudian untuk menghitung besarnya ripple tegangan dan arus

dirumuskan sebagai berikut [17]:

L = Induktansi inductor (Henry)

35

Vin = Tegangan masukan (Volt)

Vout = Tegangan keluran (Volt) VL = Tegangan Induktor (Volt)

E. Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol

rangkaian elektronik dan umumnya dapat menyimpan program didalamnya.

Mikrokontroler umumnya terdiri dari CPU (central processing unit), memori, I/O tertentu dan unit pendukung seperti analog-to-digital converter (ADC)

yang sudah terintegrasi di dalamnya. Pada penelitian ini digunakan Arduino

Mega 2560 sebagai kontroler dan penghasil sinyal PWM. Arduino Mega 2560 adalah salah satu jenis mikrokontroler Arduino yang menggunakan prosessor

ATmega2560. Arduino ini memiliki 54 pin I/O digital (15 diantaranya dapat

berfungsi sebagai PWM), 16 input analog, 4 UART (serial port), 16 MHz Osilator kristal, koneksi USB, konektor daya, ICSP, dan tombol reset. Bahasa

program yang digunakan adalah bahasa C dengan perangkat lunak

kompilernya adalah sketch atau Arduino IDE [17].

Spesifikasi teknis Arduino Mega 2560 dijelaskan pada tabel 2.3 dibawah ini :

Tabel 2.3. Spesifikasi teknis Arduino Mega 2560.[17]

Keterangan Spesifikasi

Mikrokontroler ATmega2560

Tegangan Operasi 5V

Tegangan masuk (rekomendasi 7-12V

Tegangan masuk (batas) 6-20V

36

Gambar 2.18. Arduino Mega 2560. [18]

F. Kontroler Proporsional–Integral-Derivatif (PID Controller)

Kontroler PID digunakan untuk meningkatkan kepresisian dan keakuratan

tegangan output pada Buck converter. Secara matematis kontroler PID dijelaskan pada persamaan berikut [20]:

mv(t) = Keluaran dari pengontrol PID atau Manipulated Variable

37

Ti = Konstanta Integral

Td = Konstanta Derivatif

e(t) = Error (selisih antara set point dengan level aktual)

Model matematik sebuah kontroler PID dijelaskan pada gambar 2.19 berikut :

Gambar 2.19. Model kontroler PID [20]

Kontroler proporsional digunakan untuk menurunkan rise time dan

menghasilkan tegangan set point. Sedangkan pada kontroler integral digunakan untuk menjamin tegangan keluaran akan terus menuju ke keadaan set point kemudian pada kontroler derivatif memperbaiki respon transien dengan

memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol derivative hanya berubah saat

ada perubahan error sehingga saat error statis kontrol ini tidak akan bereaksi,

hal ini pula yang menyebabkan kontroler derivatif tidak dapat dipakai

sendiri.[20]

Penentuan parameter konstanta proporsional (kp), konstanta integral (ki) dan

Nichols-38

Ziegler. Metode ini digunakan untuk menentukan nilai Kp, Ti dan Td

berdasarkan pada karakteristik tanggapan peralihan yang diberikan.

Gambar 2.20. Kurva S analisa grafis Ziegler Nichols.[20]

Pada gambar 2.20, aturan perpotongan garis lurus terjadi pada kondisi linier

dari kurva S respon sistem. Ketepatan dalam pengambilan perpotongan ini

sangatlah penting karena menentukan parameter T dan L akan menjadi acuan

dari kontroler. Parameter T dan L adalah parameter waktu respon awal dari

kurva S dimana L adalah waktu subtransien sedangkan T adalah waktu transien

[19][20]. Setelah parameter L dan T didapatkan maka besaran parameter Kp, Ti

dan Td dapat dilihat pada tabel 2.4 berikut [20]:

Tabel 2.4. Formula Ziegler Nichols. [20]

Tipe Kontroler Kp Ti Td

P T/L ~ 0

PI 0.9 T/L L/0.3 0

39

G. Rangkaian Pemicu Gate Mosfet (Gate Driver)

Komponen mosfet pada Buck converter agar dapat difungsikan sebagai sakelar maka mosfet harus bekerja pada kondisi saturasinya. Kondisi saturasi mosfet

ini dapat dibentuk dengan memberikan tegangan gate-source berkisar antara 12

- 15 Volt. Karena tegangan keluaran dari mikrokontroler arduino adalah 5 Volt

maka diperlukan rangkaian penguat / pemicu gate pada mosfet yang disebut

sebagai rangkaian gate driver. Pada penelitian ini rangkaian gate driver dibuat dengan menggunakan IC HCPL 3120, yang berfungsi menguatkan tegangan

PWM kontrol arduino dari 5 Volt menjadi tegangan 15 Volt. Konfigurasi pin

dari IC HCPL 3120 ini dijelaskan pada gambar 2.21 berikut [18]:

Gambar 2.21. Konfigurasi pin IC HCPL 3120. [18]

Pada dasarnya IC HCPL adalah IC Optocoupler dimana prinsipnya

mengkonversi sinyal kontrol menjadi cahaya. Cahaya ini kemudian akan

diterima oleh receiver (dapat berupa photodiode atau phototransistor) berupa

40

yang sama dengan tegangan input. Karakteristik dari IC HCPL 3120 ini

dijelaskan pada tabel 2.5 berikut [18]:

Tabel 2.5. Tabel kebenaran / karakteristik IC HCPL 3120. [18]

LED Vcc - VEE Vo

OFF 0 – 30 V LOW

ON 0 – 11 V LOW

ON 11 – 13.5 V TRANSITION

ON 13.5 – 30 V HIGH

Karakteristik dari IC HCPL ini adalah ketika LED ON dengan tegangan catu

daya berkisar antara 13.5 – 30 Volt maka tegangan keluaran (Vo) akan HIGH

(15 Volt). Dan ketika LED OFF dengan tegangan catu daya berkisar antara

13.5 – 30 Volt maka tegangan keluaran (Vo) akan LOW (0 Volt) [18]. Sistem

minimum dari IC HCPL 3120 dijelaskan pada gambar 2.22 dibawah ini:

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan pembahasan dapat ditarik beberapa simpulan :

1. Dari hasil perbandingan beberapa nilai efektif dan bentuk grafik dapat

disimpulkan bahwa simulator PEM fuel cell yang dibuat ini memiliki

karakteristik yang sama dengan karakteristik produk referensi PEM fuel cell stack Horizon H-100.

2. Dari perbandingan hasil pemodelan dan simulasi Simulink Matlab dengan

hasil simulator yang dibuat dapat disimpulkan bahwa untuk tiga buah

mode yaitu mode baseline, mode nilai tengah dan mode setengah sel secara umum memiliki kesamaan yang cukup tinggi dengan hasil

pemodelan dan simulasi. Terkecuali pada saat mode maksimum dimana

untuk kondisi arus tertentu, tegangan pada simulator tampak lebih kecil

daripada hasil pemodelannya. Hal ini dikarenakan kapasitas transformator

yang tidak memadai.

3. Temperatur operasi yang semakin tinggi mengakibatkan energi Gibbs

semakin kecil dan juga menaikan resistansi elektroda dan elektrolit pada

PEM fuel cell. Akibatnya tegangan, daya listrik dan arus maksimum PEM

125

4. Semakin besarnya tekanan hidrogen mengakibatkan jumlah mol hidrogen

semakin besar dan juga memperbesar energi aktivasi reaksi redoks dalam

PEM fuel cell. Sehingga terjadi kenaikan arus maksimum dan daya listrik

yang dihasilkan PEM fuel cell.

5. Semakin banyak jumlah sel pada PEM fuel cell maka semakin besar

tegangan dan daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh PEM fuel cell. Tetapi tidak berpengaruh terhadap besarnya arus maksimum yang

dihasilkan.

6. Semakin besar jumlah aliran hidrogen yang disuplai dalam reaktor PEM fuel cell maka semakin besar mol hidrogen yang tersedia. Hal ini

mengakibatkan semakin besarnya jumlah mol elektron yang terbentuk di

anoda. Akibatnya arus maksimum dan daya listrik yang dihasilkan oleh

PEM fuel cell membesar.

B. Saran

Dari hasil pengujian dan pembahasan dapat ditarik beberapa simpulan :

1. Diperlukan pemakaian transformator dengan kapasitas yang lebih besar.

Sehingga proses pengujian pada mode maksimum ataupun pengujian

dengan keluaran daya yang besar didapatkan hasil yang sesuai.

2. Menambah perangkat program komunikasi antara simulator dengan

komputer sehingga proses plot grafik dan penyimpanan data dapat

dilakukan secara otomatis dan mudah.

3. Selain penambahan kapasitas transformator juga diperlukan penambahan