STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN
BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON
(PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL)
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
oleh
MUHAMMAD ISMAIL AJI
13203111 / TEKNIK TENAGA ELEKTRIK (A)
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN
BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON
(PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL)
oleh
MUHAMMAD ISMAIL AJI
NIM : 13203111 / Teknik Tenaga Elektrik (A)
TUGAS AKHIR
Telah diterima dan disahkan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar
SARJANA TEKNIK
pada
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
Bandung, Juni 2008 Pembimbing
Prof.Dr.Ir. Yanuarsyah Haroen NIP : 130 675 513
iii
ABSTRAK
STUDI PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR
MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE
MEMBRANE FUEL CELL)
Oleh
MUHAMMAD ISMAIL AJI
NIM : 13203111 / Teknik Tenaga Elektrik (A)
Tugas akhir ini membahas studi pemodelan Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC) dengan menggunakan software MATLAB/SIMULINK. Model PEMFC yang dikembangkan kemudian divalidasi dengan data hasil percobaan pada PEMFC Avista Labs tipe SR-12 500-W dari referensi[5]. Hasil simulasi menunjukkan bahwa secara umum, karakteristik PEMFC yang dimodelkan sudah mendekati karakteristik PEMFC pada hasil percobaan dari referensi. Akan tetapi grafik model PEMFC memiliki kemiringan yang lebih kecil dibandingkan hasil percoban karena nilai jatuh tegangan ohmik pada model lebih rendah dari nilai yang sebenarnya. Oleh karena itu, dibutuhkan koreksi dengan pendekatan empiris untuk memodelkan nilai jatuh tegangan ohmik. Setelah dilakukan koreksi, berhasil didapatkan karakteristik model PEMFC yang lebih mendekati karakteristik PEMFC hasil percobaan dari referensi.
Selain itu, dilakukan pula simulasi PEMFC untuk melihat karakteristik respon pengasutan (start-up) dan keadaan mantap (steady-state) model untuk beban tetap. Hasil simulasi menunjukkan tegangan PEMFC mencapai keadaan mantap setelah sekitar 0,3 detik. Besarnya penurunan tegangan keluaran dipengaruhi terutama oleh jatuh tegangan akibat efek kapasitansi lapisan ganda. Sedangkan pada respon suhu, di awal pegoperasian suhu PEMFC akan naik secara drastis kemudian setelah 1500 detik kenaikannya semakin lambat dan akhirnya suhu cenderung konstan setelah 2500 detik. Simulasi yang terakhir adalah penghitungan biaya hidrogen dan oksigen pada pembangkitan listrik oleh PEMFC. Hasil simulasi menunjukkan biaya total hidrogen dan oksigen PEMFC skala 500 W berkisar antara Rp 3.164,86 / kWh sampai Rp 5.046,60 / kWh.
Kata kunci : Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange
ABSTRACT
MODELING AND SIMULATION STUDY OF PROTON
EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC)
By
MUHAMMAD ISMAIL AJI
NIM : 13203111 / Electrical Power Engineering (A)
In this final project, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Modeling and Simulation Study are presented using MATLAB/SIMULINK software environments. The model main characteristic are validated by experimental data taken from reference[5] at an Avista Labs SR-12 500-W PEMFC stacks. Simulation results show that the PEMFC model characteristics is quite agree with experimental data results. However, the PEMFC model graph is have a lower slope than experimental data graph because ohmic voltage drop value in the model is lower than the real value. So, empirical approach is needed for obtain ohmic voltage drop more precisely. After correction were made,PEMFC model results are better and more agree to the experimental data.
Another simulation was made to see start-up response characteristic of a PEMFC model for a constant load. Simulation results show that the voltage response from start-up to steady state has through 0,3 seconds. The value of output voltage drop is mainly influenced by double layer capacitance voltage drop. At start-up temperature response, model temperature will increase very quickly at starting point then goes slowly after 1500 seconds, and at last inclined to be constant after 2500 seconds. The last simulation was a calculation of PEMFC model hydrogen and oxygen cost to generate electricity. Simulation results show that total hydrogen and oxygen cost of PEMFC model are ranging from Rp 3.164,86 / kWh to Rp 5.046,60 / kWh.
Keywords : Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), model, model validation.
v
Aku berlindung pada Allah dari godaan syetan yang terkutuk, Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang, "Sesungguhnya shalatku, ibadahku, hidupku dan matiku hanyalah untuk Allah, Tuhan semesta alam, tiada sekutu bagi-Nya, dan demikian itulah yang diperintahkan
kepadaku dan aku adalah orang yang pertama-tama menyerahkan diri (kepada Allah)". (Q.S. Al-An’aam 6:162-163)
”Dan di antara tanda-tanda kekuasaan-Nya, Dia memperlihatkan kepadamu kilat untuk (menimbulkan) ketakutan dan harapan, dan Dia menurunkan air hujan dari langit, lalu menghidupkan bumi dengan air itu sesudah matinya. Sesungguhnya pada
yang demikian itu benar-benar terdapat tanda-tanda bagi kaum yang mempergunakan akalnya.” (Q.S. Ar-Ruum 30:24).
PRAKATA
Bismillaahirrahmaanirrahiim..
Segala puji hanya bagi Allah SWT, Tuhan semesta alam, Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang. Tak ada perbuatan, kata, dan sekecil apapun yang terjadi di bumi dan di langit melainkan atas ijin-Nya. Salawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Rasulullah SAW, Khatamman Nabiyyin, sang pembawa cahaya kebenaran. Atas rahmat dan karunia Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir yang berjudul “SIMULASI DAN PEMODELAN SEL BAHAN BAKAR
MEMBRAN PERTUKARAN PROTON (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL)” yang disusun sebagai syarat menyelesaikan kuliah sarjana di
Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung.
Dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih, Jazakumullahu khairan katsiraa, kepada :
1. Keluarga yang tak henti-hentinya memberi dorongan dan motivasi : Almarhum Bapak (Djoko Rahardjo), Mamah (Tety Salehawati), Teh Dini, A’ Nashruddin, Teh Lia, Zylvi, dan Rihhad.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Yanuarsyah Haroen selaku dosen pembimbing, atas segala bimbingan, ilmu yang luas, serta pengalaman yang bermanfaat.
3. Ibu Dr. Ir. Isdiriyani Nurdin, dosen Teknik Kimia ITB atas kesediaan waktunya memberikan bantuan konsultasi dan menjadi penguji.
4. Mr. Caisheng Wang, Assistant Professor di Wayne State University, USA., atas kesediaannya memberikan data referensi.
5. Seluruh jajaran dosen Program Studi Teknik Elektro STEI ITB. 6. Kang Arfi, atas bimbingan spiritual dan motivasinya.
7. Teman-teman di LSS ITB (Lingkung Seni Sunda ITB), terutama angkatan 2003 : Abin, Heri, Iqbal, Kobra, Lucky, Oong, Repi, Sule, Wildan, Ainun, Anggun, Dea, Iis, Intan, Kuneng, Opie, Poets, dan Ratih.
vii 8. Teman-teman seperjuangan baik yang lulus Juli 2008: Aplo, Virgy, Eri
Irawan, Agfa, Otes. Maupun para pejuang yang belum lulus Juli 2008: Andri, Fajar, Iqbal Dasril, dan Kuncoro (semangat kawan!).
9. Kelompok Liqo yang setia : Arif, Agi, Awal, Adan, Edo, Faiz, Ganjar, Hananto, Heri, Ihkwan, Julian, Masri, Putra, Revi dan Wildan atas persaudaraan yang tulus dan hangat. Ana uhibbukum fillah!
10. Hafidh, Narpen, Edes, Esha, dan Wahyu (lab dasar), juga Jejey, yang telah memberikan bantuan berupa login AI3, pinjaman printer, laptop, dll.
11. Jajaran penghuni dan staf LPKEE, Bapak Kartono, Windra, Deni, Eenk, Kadek, Mas Imam, Bu Yuni, Pak Nana, dan yang lainnya.
12. Jajaran staf dan satpam Kantor Senat Akademik, atas keramahannya. 13. Teman-teman Elektro ITB angkatan 2003.
14. Teman-teman subjur Aroes Koeat Elektro ITB.
15. Bapak Rachmat Pakih, ketua Yayasan Alumni SMA 3 Bandung. 16. Perpustakaan ITB dan Ikatan Alumni ITB angkatan 77.
17. Serta banyak pihak lainnya yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu, yang banyak mempengaruhi sikap, motivasi, dan paradigma penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan terdapat dalam laporan tugas akhir ini ini, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dapat dikirim ke [email protected]. Segala kebenaran datangnya hanya dari Allah SWT Yang Maha Benar, sedangkan segala kesalahan berasal dari kecerobohan pribadi penulis. Semoga penulisan laporan ini dapat bermanfaat bagi banyak pihak.
Shadaqallaahul’azhiim. Wallaahu’alambishshawaab
Wassalamualaikum Wr. Wb. Bandung, Juni 2008
DAFTAR ISI
ABSTRAK iii ABSTRACT iv PRAKATA vi
DAFTAR ISI viii
DAFTAR GAMBAR xi
DAFTAR TABEL xiii
NOMENKLATUR xiv
BAB I 1
PENDAHULUAN 1
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 2
1.3. Tujuan dan Sasaran 2
1.4. Batasan Masalah 3
1.5. Metodologi Penelitian 3
1.6. Sistematika Pembahasan 4
BAB II 6
GAMBARAN UMUM TEKNOLOGI SEL BAHAN BAKAR 6
2.1. Pendahuluan 6
2.2. Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar 7 2.2.1. Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC) 8 2.2.2. Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 8 2.2.3. Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) 9 2.2.4. Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 10 2.2.5. Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 11 2.2.6. Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange
Membrane Fuel Cell (PEMFC) 12
2.3. Perbandingan Karakteristik Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar 13 2.3.1. Perbandingan Aplikasi Sel Bahan Bakar 14 2.4. Alasan pemilihan PEMFC 14 2.5. Prinsip Kerja PEMFC 15
ix
BAB III 18
PERUMUSAN MODEL MATEMATIS SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN
PERTUKARAN PROTON 18
3.1. Pendahuluan 18
3.2. Prinsip Konversi Energi pada PEMFC 18 3.3. Model Matematis Tegangan PEMFC 20 3.3.1. Potensial Reversibel PEMFC 21 3.3.2. Jatuh Tegangan Aktivasi 23 3.3.3. Jatuh Tegangan Ohmik 25 3.3.4. Jatuh Tegangan Konsentrasi 26 3.3.5. Efek Kapasitansi Lapisan Ganda 27 3.4. Model Respon Perubahan Tekanan (Mekanisme Difusi pada Elektroda) 28 3.5. Model Respon Perubahan Suhu (Kesetimbangan Energi Termodinamika)
31
3.6. Efisiensi pada PEMFC 34
BAB IV 35
PEMODELAN DAN SIMULASI SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE
MATLAB/SIMULINK 35
4.1. Pendahuluan 35
4.2. Perhitungan dan Penentuan Beberapa Parameter 35 4.2.1. Parameter-Parameter yang Ditentukan 36 4.2.2. Konstanta Pada Persamaan Jatuh Tegangan Aktivasi 37 4.2.3. Persamaan Hambatan Membran 37
4.2.4. Koefisien Difusi Senyawa H2 dan O2 38
4.3. Model Sistem PEMFC 38
4.4. Pemodelan PEMFC dengan Simulink/MATLAB 41
4.4.1. Model Simulink Tekanan H2 dan O2 dari Mekanisme Difusi 41
4.4.2. Model Simulink Potensial Reversibel PEMFC 42 4.4.3. Model Simulink Jatuh Tegangan Aktivasi 43 4.4.4. Model Simulink Jatuh Tegangan Konsentrasi 44 4.4.5. Model Simulink Jatuh Tegangan Ohmik 44
4.4.6. Model Simulink Efek Kapasitansi Lapisan Ganda 45 4.4.7. Model Simulink Tegangan Keluaran 46 4.4.8. Model Simulink Kalor Yang Ditransfer Melalui Fluida Per Detik 46 4.4.9. Model Simulink Perubahan Suhu pada PEMFC 47 4.4.10. Model Simulink Sistem PEMFC 48
BAB V 50
VALIDASI DAN ANALISIS HASIL SIMULASI MODEL SEL BAHAN
BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON 50
5.1. Pendahuluan 50
5.2. Validasi Model PEMFC 50 5.2.1. Karakteristik Tegangan-Arus 50 5.2.2. Karakteristik Daya Keluaran-Arus 52 5.2.3. Karakteristik Respon Suhu 53 5.3. Perbaikan Model dari Validasi Pertama 54
5.3.1. Perhitungan Jatuh Tegangan Ohmik Baru 54 5.3.2. Karakteristik Model PEMFC Hasil Perbaikan 55 5.4. Karakteristik Pengasutan (Start-Up) dan Keadaan Mantap (Steady State) 56 5.4.1. Respon Tegangan Pengasutan 56 5.4.2. Respon Perubahan Suhu PEMFC Dari Pengasutan Sampai Keadaan
Mantap 59 5.5. Perhitungan Biaya Bahan Bakar dengan Energi 60
BAB VI 65
KESIMPULAN DAN SARAN 65
6.1. Kesimpulan 65
6.2. Saran 65
DAFTAR PUSTAKA xiii
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC) 8 Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell
(PAFC) 9 Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell
(MCFC) 10 Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 11
Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 12 Gambar 2.6 Skema Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange
Membrane Fuel Cell (PEMFC) 16
Gambar 2.7 Reaksi elektroda dan aliran muatan 17 Gambar 3.1 Karakteristik Tegangan Keluaran Sel Bahan Bakar Terhadap Rapat Arus
21 Gambar 3.2 Rangkaian Listrik Ekivalen untuk Efek Kapasitansi di dalam PEMFC 27 Gambar 4.1 Diagram Sistem PEMFC 35 Gambar 4.2 Diagram Blok Keseluruhan Model PEMFC 40
Gambar 4.3 Diagram Pemodelan PEMFC Simulink 41 Gambar 4.4 Model Simulink Untuk Tekanan H2 dan O2 42
Gambar 4.5 Model Simulink Potensial Reversibel PEMFC 43 Gambar 4.6 Model Simulink Jatuh Tegangan Aktivasi 43 Gambar 4.7 Model Simulink Jatuh Tegangan Konsentrasi 44 Gambar 4.8 Model Simulink Jatuh Tegangan Ohmik 45 Gambar 4.9 Model Simulink Efek Kapasitansi Lapisan Ganda 45 Gambar 4.10 Model Simulink Tegangan Keluaran PEMFC 46 Gambar 4.11 Model Kalor Yang Ditransfer Melalui Fluida Yang Mengalir (Qtransfer1)
47 Gambar 4.12 Model Simulink Perubahan Suhu pada PEMFC 48 Gambar 4.13 Model Simulink Sistem PEMFC 49
Gambar 5.1 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus dari Avista Lab tipe SR-12
500-W 51
Gambar 5.2 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus pada Model PEMFC 51 Gambar 5.3 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Avista Lab tipe SR-12
500-W 52 Gambar 5.4 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Model PEMFC 52
Gambar 5.5 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Avista Lab tipe SR-12 500-W 53 Gambar 5.6 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Model PEMFC 53 Gambar 5.7 Karakteristik v-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 55 Gambar 5.8 Karakteristik P-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 55 Gambar 5.9 Karakteristik Respon Suhu untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi
56 Gambar 5.10 Karakteristik Tegangan Pengasutan Model PEMFC Untuk Beban Tetap
57 Gambar 5.11 Karakteristik Jatuh Tegangan Efek Kapasitansi Lapisan Ganda (Vd) 57
Gambar 5.12 Karakteristik Jatuh Tegangan Ohmik (Vohm) 58
Gambar 5.13 Karakteristik Respon Suhu dari Model PEMC Untuk Beban Tetap 59 Gambar 5.14 Karakteristik Respon Kalor Konveksi pada Pengasutan PEMFC 60 Gambar 5.15 Karakteristik Efisiensi Model PEMFC 60 Gambar 5.16 Karakteristik Energi (kWh) Terhadap Arus Beban (Ampere) dari
Model PEMFC 61
Gambar 5.17 Energi Listrik Yang Dihasilkan dari 1 kg H2 dalam Model PEMFC 62
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan Karakteristik Beberapa Jenis Sel Bahan Bakar 13 Tabel 2.2 Skema Aplikasi Sel Bahan Bakar 14 Tabel 2.3 Keunggulan dan Kelemahan PEMFC 15 Tabel 4.1 Parameter –Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi PEMFC 36
NOMENKLATUR
a, b Konstanta pada persamaan Tafel (Volt/Kelvin) Asel Luas permukaan sel (m2)
C Kapasitansi pada lapisan ganda (Farad)
Cx Kapasitas kalor dari suatu zat x (Joule/mol.K)
cFC Kalor jenis keseluruhan Sel Bahan Bakar (Joule/kg.K)
Di,j koefisien difusivitas biner efektif (m2/s) Er Potensial reversibel sel (Volt)
0 r
E Potensial reversibel standar (Volt)
F Konstanta Faraday (96487 coulomb/mol)
hsel koefisien perpindahan kalor secara konveksi (Watt/m2.K)
Hu Kalor penguapan molar air (Joule/mol)
HHV Nilai kalor atas / High Heating Value (Joule)
I,i Arus (Ampere)
I0 Arus pertukaran (Ampere)
IL Arus limit (Ampere)
J Rapat arus (Ampere/m2)
J0 Rapat Arus Pertukaran (Ampere/m2)
la lebar jarak antara saluran anoda dengan katalis (m)
lk lebar jarak antara saluran katoda dengan katalis (m)
MFC Massa total Sel Bahan Bakar (kg)
n Koefisien ekivalen senyawa dalam suatu reaksi (mol)
Ni Fluks molar gas dari senyawa i (mol/s.m2)
Nsel Jumlah sel
R Konstanta gas universal (8,3143 Joule/mol.K)
Pa Tekanan anoda (Pascal)
Pk Tekanan katoda (Pascal)
2
H
P Tekanan parsial hidrogen (Pascal)
2
O
xv
Rakt Resistansi aktivasi (ohm)
Relec Resistansi dari konduktor elektron, yakni kawat saluran (ohm)
Rion Resistansi dari konduktor ion, yakni lapisan elektroda dan elektrolit (ohm)
Rohm Resistansi ohmik (ohm)
T Suhu (Kelvin)
Tref Suhu pada keadaan standar (298 K = 25˚C)
q Muatan (coulomb)
Vakt Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi aktivasi (Volt)
Vakt1 Jatuh tegangan aktivasi yang hanya dipengaruhi faktor suhu (Volt)
Vakt2 Jatuh tegangan aktivasi yang dipengaruhi oleh suhu dan arus (Volt)
Vkon Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi konsentrasi (Volt)
Vd Tegangan pada kapasitor (Volt)
Vohm Jatuh tegangan / overpotensial / polarisasi ohmik (Volt)
Vout Tegangan keluaran (Volt)
Virrev Tegangan irreversibel / jatuh tegangan total / overpotensial (Volt)
Welec Energi Listrik (Joule)
xi Fraksi mol dari senyawa i
2
.
sal anoda H O
x
Fraksi mol saluran anoda H2O2
.
sal katoda H O
x
Fraksi mol saluran katoda H2O α Koefisien transfer elektronλ kandungan air (%)
δ ketebalan membran (m)
σ konduktivitas ion membran (ohm-1 = mho)
ΔG Energi bebas Gibbs (Joule)
ΔH Entalpi (Joule)
ΔS Entropi (Joule/Kelvin)
0
