DEVELOPMENT OF DIGITAL GAS FLOW METER FOR
HYDROGEN FUEL CELL
Eniya Listiani Dewi dan Wahyu Widada
Center for Materials Technology (PTM), Deputy for Information, Energy and Materials Technology (TIEM)
Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), MH. Thamrin 8, BPPT II/22, Jakarta. e-mail : eniyalist@webmail.bppt.go.id
*Lembaga Antariksa dan Penerbangan Nasional (LAPAN), Pusat Kendali, Rumpin, Tangerang
Abstract
Fuel cells, as a potential replacement for traditional heat engines, have attracted considerable attention recently. Although the performance-to-cost ratio of state-of-the-art fuel cells has been greatly improved over the past few years, widespread implementation of fuel cells will not be realized until their cost is competitive with heat engines. Successful application of fuel cells in automobiles will also require novel approaches to water and heat management, optimal control, and on-line diagnostics. The optimal control has been described in this paper especially for flow rate gas. Until these days, the systems still use a manual flow meter with high error percentage. We have developed a high accuracy of flow rate gas in fuel cell analysis. The prototype digital flow meter covers a range of 0 – 1 L/min with accuracy of 2 mL/min (0.0001%) and has a repeatability 3% full scale. Then this digital flow meter could be integrated in power meter fuel cell system. The simple and modular design should lead to production costs which are significantly lower than those for other devices while offering the same performance.
Keywords: flow meter, digital instrument, polymer electrolyte fuel cell, hydrogen energy.
1. Pendahuluan
Pengembangan energi hidrogen pada saat ini telah mulai digeluti oleh para peneliti di Asia, untuk mengejar ketinggalan teknologi dengan negara-negara maju khususnya dalam bidang energi alternatif (EG&G Services, 2000). Pada saat ini untuk mengukur gas yang dipakai sebagai bahan bakar dalam fuel cell diperlukan akurasi yang tinggi untuk mengukur gas yang bereaksi karena setiap jumlah gas hidrogen yang tidak dipakai dalam stack fuel cell dapat bereaksi dengan panas atau ignition fire yang bisa menyebabkan suatu ledakan yang tidak terlihat. Dengan pengukuran gas, kontrol jumlah transfer massa gas pun harus dilakukan dengan teliti terkait dengan efisiensi energi yang dihasilkan fuel cell. Dengan pengembangan ini maka kegiatan analisa dan aplikasi fuel cell khususnya dalam pengukuran gas dapat dilakukan dengan mudah, cepat, berakurasi tinggi serta murah .
Fuel cell adalah generator penghasil listrik yang mereaksikan gas dan oksigen dari udara secara kimiawi. Hasil reaksi yang ada selain listrik adalah panas dan air. Teknologi ini dikenal karena mempunyai keuntungan antara lain karena sifatnya yang ramah lingkungan, tidak bising, tidak menghasilkan emisi gas buang, fleksibel karena daya bisa diatur dalam produksinya, serta menggunakan bahan bakar selain BBM. Dengan menggunakan fuel cell berjenis polymer electrolyte fuel cell (PEFC), maka susunan dalam stack fuel cell dalam bentuk padatan sehingga lebih mudah pembuatannya, dan yang paling banyak jenis aplikasinya seperti menjadi penghasil
listrik untuk mobil, pencatu daya perangkat elektronik, juga generator pembangkit listrik skala rumah tangga.
Tulisan ini mengetengahkan tentang pembuatan prototipe digital flow meter untuk gas yang diaplikasikan pada fuel cell sistem. Prototipe ini menggunakan sensor flow gas dengan maksimum pengukuran 1 L/min. Dalam pengembangannya menggunakan mikrokontroler yang mempunyai analog-to-digital converter 10 bit. Sehingga nilai gas flow terkecil adalah kira-kira 2 mL/min. Alat ini telah dikalibrasi dan diaplikasikan pada fuel cell yang dikembangkan BPPT (Eniya L. Dewi, 2007).
Disamping untuk aplikasi pada fuel cell, alat ini bisa digunakan pada alat-alat kedokteran, perusahaan gas atau segala pengukuran dari berbagai gas pada industri. Sistem yang lebih mendetail akan dijelaskan pada pembahasan berikut ini.
2. Sistem Hardware
Prototipe hardware seperti pada Gambar 1. Sensor yang digunakan adalah tipe DF9 buatan Omron (Omron). Untuk menampilkan nilai flow meter ini selain ditampilkan pada PC, digunakan juga digital LCD yang mudah dipantau. Pada bagian PC menggunakan software yang menunjukkan nilai besar flow gas dalam bentuk grafik, serta dapat pula menghitung jumlah total gas yang lewat menurut rentang waktu yang diinginkan. Prototipe ini terdiri dari 2 channel gas yang dapat mengukur secara simultan. Sehingga pada sistem fuel cell, gas hidrogen dan oksigen dapat diukur
Proton Electron H2O Hydrogen Oxygen electrolyte cathode anode H2 O2 H2O Transformer Gas alam H+ e -H2 2H++ 2e -2H++ 2e-+ ½ O 2 H2O PEMFC Proton Electron H2O Hydrogen Oxygen Proton Electron H2O Hydrogen Oxygen electrolyte cathode anode H2 O2 H2O Transformer Gas alam H+ e -electrolyte cathode anode H2 O2 H2O Transformer Gas alam H+ e -H2 2H++ 2e -H2 2H++ 2e -2H++ 2e-+ ½ O 2 H2O 2H++ 2e-+ ½ O 2 H2O PEMFC
3. Pembahasan
Percobaan dengan menggunakan prototipe tersebut, dilakukan pada saat pengujian fuel cell dalam waktu yang cukup lama. Gas flow yang dibutuhkan dalam percobaan tersebut kira-kira 20 mL/min. Bagan percobaan seperti Gambar 2. Flow meter membaca flow rate dari gas yang masuk. Gambar 3 menunjukkan contoh data pada saat sensor dimasuki gas dan data kalibrasi, sedangkan untuk uji coba fuel cell single stack PEFC, gas hidrogen yang dibutuhkan kira-kira 20 mL/min, dan untuk gas oksigen menunjukkan nilai 10 mL/min.
Gambar 1. Prototipe digital flow meter (tampak depan).
Gambar 2. Foto dan bagan sistem percobaan gas flow meter pada uji fuel cell. 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 Keterangan : 1. Tangki Hidrogen 2. Tangki Oksigen 3. Botol Pengaman 4. Pressure Gauge 5. Flowmeter 6. Fuel Cell 7. Multimeter 8. Resistor 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 Keterangan : 1. Tangki Hidrogen 2. Tangki Oksigen 3. Botol Pengaman 4. Pressure Gauge 5. Flowmeter 6. Fuel Cell 7. Multimeter 8. Resistor
Preparatus ujicoba fuel cell
5 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 Keterangan : 1. Tangki Hidrogen 2. Tangki Oksigen 3. Botol Pengaman 4. Pressure Gauge 5. Flowmeter 6. Fuel Cell 7. Multimeter 8. Resistor 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 1 2 3 3 3 3 6 5 4 4 5 8 7 7 Keterangan : 1. Tangki Hidrogen 2. Tangki Oksigen 3. Botol Pengaman 4. Pressure Gauge 5. Flowmeter 6. Fuel Cell 7. Multimeter 8. Resistor
Preparatus ujicoba fuel cell
Dengan cara merubah regulator gas, power fuel cell dapat ditentukan dengan parameter gas flow yang optimal. Walau pada percobaan ini masih dilakukan pengubahan tekanan gas secara manual. Tetapi jika digunakan regulator gas yang dapat dikontrol secara elektronik, sistem inlet gas dapat berjalan secara otomatis. Prototipe sensor ini dalam percobaan optimalisasi gas inlet yang dibutuhkan fuel cell dapat membaca dengan sangat akurat.
Jika ditinjau dari kemampuan sensor yang digunakan, selain akurasi pengukuran dan transmit flow rate yang akurat, pengukuran dapat dikalibrasi untuk 256 gas yang berbeda, pengukuran gas flow yang melewati sensor tidak dipengaruhi oleh temperatur dan variasi tekanan inlet. Spesifikasi alat ini dapat ditulis secara detail seperti Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi data sensor yang digunakan Output signal
Maximum flow rate Accuracy
Repeatability
Operating temperature Maximum system pressure
1-5 VDC, max 15 mA 2 L/min 0.0001% 3% full scale -10 – 60C 200 kPa
Time (sec)
F
lo
w
ra
te
m
L
/m
in
Time (sec)
F
lo
w
ra
te
m
L
/m
in
Gambar 3. Contoh hasil percobaan gas hidrogen dan oksigen yang terbaca dan kalibrasi data.
Potential (volt) F lo w ra te (m L /m in ) 0.5 2.5 4.5 0 1 Potential (volt) F lo w ra te (m L /m in ) 0.5 2.5 4.5 0 1
4. Kesimpulan
Telah dibuat prototipe digital gas flow meter yang diaplikasikan pada optimalisasi penggunaan gas hidrogen dan oksigen pada sistem pengujian fuel cell. Prototipe ini mempunyai akurasi yang baik untuk pengukuran gas hingga 2 mL/min. Biaya yang digunakan untuk pembuatan alat ini relatif murah, sedangkan harga yang termahal adalah sensor gas. Alat ini nantinya akan dikembangkan lebih lanjut menjadi sistem otomatis yang diintegrasikan dengan digital elektronik regulator.
Daftar Pustaka
EG&G Services, (2000), “Fuel Cell Handbook”, 5th, U.S. Department of Energy, Morgantown. Eniya L. Dewi, (2007), ”New materials for fuel cell development”, Proc. 1st International
Conferences on Chemical Science (ICCS-2007), 95 (1-8), Yogyakarta. Omron, http://www.omron.co.jp
