MANAJEMEN PEMBEBANAN PADA KELUARAN FUEL CELL JENIS PEMFC UNTUK OPTIMALISASI INVERTER DC-AC

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122

ISSN 1978-2365

MANAJEMEN PEMBEBANAN PADA KELUARAN FUEL CELL JENIS PEMFC UNTUK OPTIMALISASI INVERTER DC-AC LOADING MANAGEMENT ON THE OUTPUT OF FUEL CELL PEMFC TYPE FOR OPTIMIZATION OF DC-AC INVERTER Bono Pranoto, Khalif Ahadi, Harun Al Rasyid Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Jl.Ciledug Raya kav.109 Cipulir Keb.Lama, Jakarta Selatan [email protected]

ABSTRAK Permasalahan pengoperasian sistem fuel cell adalah menjaga tegangan keluaran fuel cell yang cenderung menurun seiring meningkatnya arus beban. Pengaturan aliran masuk gas hidrogen dan oksigen tidak memberikan reaksi yang cepat terhadap perubahan tegangan keluaran fuel cell, sedangkan perubahan beban memberikan reaksi yang sangat cepat pada perubahan tegangan. Manajemen pembebanan dilakukan pada jalur masukan inverter untuk melihat karakteristik tegangan keluaran fuel cell akibat pengaruh pemberian beban pada jalur keluaran inverter. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pengaturan pembebanan menggunakan beban aktivasi pada keluaran fuel cell dapat menjaga range tegangan masukan inverter yaitu 12-15 volt sehingga inverter dapat terus bekerja. Namun demikian, pengaturan ini membutuhkan ketelitian operator saat terjadi perubahan beban. Kata kunci: Fuel cell, inverter, pembebanan

ABSTRACT The operating problem on fuel cell system is to mantain the output voltage of fuel cell, which tends to drop as the load current inreases. Controlling the flow of hydrogen and oxygen does not give a quick response, on the other hand, changes in load give very quick responses on output voltage. Loading management is done on inverter input to observe characteristics of fuel cell’s output voltage under the influence of changes in load on inverter output. The experiment result shows that loading management using activating load on output fuel cell could maintain on the input voltage range of inverter, which is 12-15 volts, so that inverter still works. However, this arrangement still needs thoroughness of the operator during load change. Keywords: Fuel cell, inverter, load.

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

115

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 -11 122No. 2 Desember 2012 : 115 - 122

terlepas ketika terjadi reaksi oksidasi hidrogen

PENDAHULUAN Fuel cell dengan membran polimer atau

dan mengalir melalui elektrolit membran ke

dikenal sebagai Polymer Electrolyte Membran

katoda. Karena membran bukan penghantar

Fuel cell (PEMFC) merupakan suatu perangkat

listrik, maka elektron yang terlepas bergerak ke

elektrokimia

penghantar luar dan akhirnya menghasilkan arus

yang

mengkonversi

langsung

energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar

menjadi

listrik.

Penggunaan

Walaupun memiliki beberapa keunggulan,

beberapa

keunggulan

penggunaan PEMFC sebagai sumber energi

dibandingkan sumber energi maupun fuel cell

masih memiliki beberapa kendala. Salah satu

jenis lainnya, antara lain efisiensinya yang jauh

kendala dalam penggunaan PEMFC adalah

PEMFC

energi

listrik [9].

memiliki

melebihi mesin pembakaran biasa

[2]

, emisinya

permasalahan

pengoperasian.

Permasalahan

yang ramah lingkungan karena berupa air,

pengoperasian sistem fuel cell adalah menjaga

kondisi operasinya yang berada pada suhu relatif

tegangan keluaran fuel cell. Tegangan keluaran

rendah

untuk

fuel cell dapat dijelaskan dari karakteristik V-I

kebutuhan rumah tangga, sensitivitasnya yang

atau dikenal sebagai Polarisasi dari fuel cell yang

rendah terhadap perubahan orientasi sehingga

digunakan. Karakteristik tegangan keluaran fuel

sehingga

aman

digunakan

sesuai digunakan pada kendaraan

[4]

dan lain-

cell sangat dipengaruhi oleh perubahan beban

lain. Skema sederhana PEMFC ditunjukkan pada

yang dihubungkan [6]. Semakin besar arus beban

Gambar 1.

maka akan semakin menurun tegangan keluaran fuel cell

[3]

. Karakteristik fuel cell seperti ini

mengakibatkan

sulitnya

mempertahankan

tegangan keluaran fuel cell pada nilai tertentu yang konstan.

Karakteristik

tegangan

keluaran terhadap arus beban dari fuel cell ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 1. Skematik Proton Exchange Membran Fuel cell (PEMFC) tunggal [2] Bahan bakar berupa hidrogen diumpankan melalui kanal gas sisi anoda, sementara oksidan, dapat berupa udara diumpankan melalui kanal gas sisi katoda. Prinsip elektrokimia pada PEMFC adalah memanfaatkan reaksi oksidasi

Gambar 2. Karakteristik keluaran Fuel cell pada

hidrogen yang terjadi pada anoda dan reaksi

suhu 25oC, tekanan 1 atm [4].

reduksi oksigen yang terjadi pada katoda. Proton

Diterima 116 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

Management Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 -Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC

Kondisi tegangan yang tidak konstan

lampu DC terlebih dahulu pada jalur keluaran

tersebut akan menjadi permasalahan saat fuel

fuel cell (jalur masukan inverter) sampai

cell dihubungkan ke beban berupa peralatan

tegangan

elektronik. Hal ini disebabkan karena biasanya

jangkauan tegangan kerja inverter. Gambar 3

peralatan elektronik mempunyai tegangan kerja

menunjukkan skema beban aktivasi tersebut.

keluaran

fuel

cell

berada

pada

tertentu sehingga jika melewati ambang batas tegangan kerja tersebut, peralatan akan rusak dan jika tegangan yang disuplai oleh fuel cell kurang dari tegangan kerjanya, maka peralatan tidak dapat bekerja optimal. Untuk meningkatkan tegangan fuel cell dapat

melakukan

pendekatan

dengan

Gambar 3. Skema Beban Aktifasi (sumber:Percobaan P3TKEBTKE)

menggunakan tiga terminal tekan-tarik dc-dc converter

[5]

. Atau mengoperasikan sambungan Fuel cell Output DC

inverter dari sumber daya energi didistribusikan sebagai filter daya aktif dalam jaringan distribusi tegangan rendah

[1]

. Dengan memanfaatkan Pembebanan (R)

tapping dinamis dari trafo juga dapat mengatasi dampak dari berbagai tegangan input pada sisi

+R

[8]

tegangan sekunder dan efisiensi inverter .

Voltase < 15V

Tidak

-R

Tujuan

YA

Tulisan ini membahas mengenai metode

Tidak

pengaturan beban untuk menjaga tegangan

Voltase > 12V

keluaran fuel cell sebagai sumber tenaga listrik YA

agar sesuai dengan kebutuhan tegangan masukan

Inverter Range 12V - 15 V

inverter serta mempelajari pengaruh manajemen pembebanan tersebut terhadap daya keluaran inverter

dan

performa

fuel

cell

Beban AC

dengan

Membrane Electrode Assembly (MEA) buatan.

METODOLOGI Untuk mengatasi permasalahan tegangan

Gambar 4. Flow chart managemen pembebanan awal. Manajemen pembebanan dilakukan pada

keluaran yang tidak stabil dari fuel cell, maka proses pembebanan dilakukan secara bertahap dengan menggunakan beban aktivasi berupa

jalur

masukan

inverter

untuk

melihat

karakteristik tegangan keluaran fuel cell.

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

117

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122 Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122

a. Aktivasi fuel cell

dengan kebutuhan beban yang terpasang

Untuk pengaktivasian, fuel cell diberi beban

pada keluaran inverter.

aktivasi dengan rangkaian paralel lampu DC yang

dihubungkan

langsung

ke

jalur

keluaran fuel cell. Karena inverter komersial yang digunakan bekerja pada range tegangan masukan 12V – 15V, maka pemberian beban aktivasi dilakukan sampai tegangan keluaran fuel cell terkondisikan pada range tegangan tersebut

[10]

. Hal ini diperlukan karena

inverter tidak dapat berfungsi jika diluar

Gambar 5. Kondisi Aktivasi Awal Sistem Fuel cell dan Saat Percobaan Pembebanan

range tersebut. Jika tegangan masukan lebih

Gambar 5 menunjukkan tegangan keluaran

besar dari 15 Volt maka buzzer akan

fuel

berbunyi kemudian inverter mati. Jika beban

pembebanan yang direncanakan. Sesaat setelah

fuel cell terlalu besar, tegangan akan turun

beban

hingga dibawah 12 V, buzzer inverter juga

keluaran

berbunyi dan inverter akan mati. Aktivasi

mengatasi adanya penambahan beban dan

dilakukan sampai daya fuel cell mampu

terjaganya tegangan dalam range inverter maka

menghidupkan keempat beban lampu dan

tindakan

temperatur fuel cell telah mencapai > 40oC.

mengurangi beban aktivasi. Beban aktivasi satu

Dalam percobaan ini kondisi fuel cell yang

persatu dilepas sehingga tegangan masukan

digunakan adalah sebagai berikut:

inverter naik sehingga terjaga pada range

 Tekanan O2 dan H2 : + 2 bar

tegangan 12-15V. Saat melepas beban aktivasi

 Jumlah Sel ( 2 x 12 sel)

perlu diperhatikan pengaruh yang ditimbulkan,

 Luas Elektroda 7cm x 7 cm

jika

 Menggunakan MEA buatan sendiri

dimatikan maka tegangan akan naik hingga di

 Grafit yang digunakan adalah produksi

atas 15 V dan inverter akan mati.

2

Electrochem berukuran 50 cm

cell

saat

proses

terhubung fuel

terlalu

pada

cell

yang

aktivasi

inverter,

dilakukan

beban

saat

tegangan

akan menurun.

perlu

banyak

dan

aktivasi

Untuk

adalah

yang

Pada saat pengoperasian, sistem fuel cell dilengkapi kipas pendingin untuk menjaga

b. Pemberian beban Setelah temperatur fuel cell mencapai 40oC dan daya yang dihasilkan telah mampu untuk menghidupkan beban aktivasi berupa lampu DC, fuel cell dihubungkan ke inverter untuk

diubah

menjadi

tegangan

AC.

Pemutusan beban aktivasi harus disesuaikan

kestabilan temperatur fuel cell. Kipas pendingin diset

50oC

pada

diukur

menggunakan

thermocouple yang terhubung dengan fan control. Dua buah stack fuel cell disusun secara seri

untuk

mendapatkan

tegangan

yang

diinginkan yaitu sebesar 24 Volt. Stack 1 berada didepan Stack 2 lalu terhubung kedalam sistem.

Diterima 118 redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

Management Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran yang dilakukan saat uji coba metoda tersebut yang dapat dilihat pada

inverter selain disebabkan oleh beban juga dipengaruhi oleh kecepatan reaksi yang terjadi di dalam fuel cell untuk menghasilkan arus.

Gambar 6. Ketidakstabilan tegangan masukan

Gambar 6. Tegangan Keluaran Fuel cell tekanan 2 Bar, suhu 50 oC setelah penarikan beban

Gambar 7. Arus Keluaran Fuel cell

Gambar 8. Daya Keluaran Fuel cell

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

119

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122 Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122

Dari bagian yang dilingkari pada Gambar 6

Pada Gambar 7 dapat dilihat bahwa rata-

tersebut, dapat terlihat bahwa pada saat kondisi

rata arus keluaran fuel cell saat pembebanan

beban tetap, dimana arus terlihat konstan,

adalah 6.5 Ampere/cell.

tegangan keluaran fuel cell cenderung menurun

Perhitungan daya yang dihasilkan oleh

(lihat gambar 7). Hal ini disebabkan karena

fuel cell untuk mensuplai beban ditampilkan

kebutuhan

maka

dalam bentuk grafik seperti yang dapat dilihat

dibutuhkan reaksi elektrokimia yang cepat,

pada Gambar 8. Dari Gambar 8 tersebut terlihat

menyebabkan pembentukan air semakin cepat

bahwa daya maksimum yang terukur adalah

juga. Air yang terbentuk membutuhkan waktu

sekitar 120 Watt.

akan

arus

yang

stabil

dari mulai embun air hingga menjadi gumpalan

Kondisi temperatur fuel cell yang terjadi

air lalu terdorong keluar. Semakin banyak

saat uji coba metoda pembebanan tersebut juga

gumpalan air yang terbentuk sebelum terdorong

diukur dan dapat dilihat pada Gambar 9. Pada

keluar menyebabkan turunnya tegangan yang

Stack 1, temperatur cenderung meningkat namun

dihasilkan. [4]

dijaga temperaturnya oleh suatu fan control yang

Daerah yang di-blok pada Gambar 6

di-set pada 50oC. Kenaikan temperatur ini

tersebut adalah daerah kerja tegangan masukan

menandakan reaksi kimia yang terjadi juga

inverter menurut spesifikasi teknisnya. Namun

menghasilkan energi lain berupa panas sehingga

demikian, jika tegangan keluaran fuel cell turun

efisiensi fuel cell untuk menghasilkan energi

sesaat hingga 11 Volt, inverter tersebut masih

listrik akan menurun. Besaran thermal yang

dapat bekerja tetapi dengan alarm peringatan

dihasilkan dapat mempengaruhi kemampuan

berbunyi. Begitu juga jika tegangan keluaran

PEMFC [7]

fuel cell melebihi tegangan 15 Volt.

Gambar 9. Temperatur Fuel cell

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 120

Management Pembebanan Pada Keluaran Fuel Cell Jenis Pemfc Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 -Untuk 122 Optimalisasi Inverter DC-AC

[2] Carrette, L., Friedrich, K.A., dan U.

KESIMPULAN DAN SARAN

Stimming. 2001. Fuel cells – Fundamentals and Applications. Fuel cells, 1: 5-39.

Kesimpulan Metode pengaturan beban keluaran fuel cell terbukti berhasil menjaga tegangan agar sesuai dengan kebutuhan tegangan masukan inverter. Pengaturan Beban dilakukan secara manual dengan menyeimbangkan beban output inverter

Manajemen pengaturan beban tersebut masih secara

manual

sehingga

MossObservation of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Degradation Under Dynamic

Load

Cycling,

Degree

of

Bachelor of Science, Worcester Polytechnic

dengan beban sebelum masuk inverter.

dilakukan

[3] Choi Eugene and Jennifer A, 2009,

perlu

Institute. [4] Cooper,

K.R,

Ramani,

V.

2005.

ketelitian dan kewaspadaan operator terhadap

Experimental Methods and Data Analyses

beban yang akan digunakan.

for Polymer Electrolyte Fuel cells, Scribner Associates,

Saran Perlu dirancang piranti elektronik tambahan yang mampu menjaga kestabilan tegangan

[5] Gopinath R, Sangsun Kim, Jae-Hong Hahn, Prasad N. Enjeti, Mark B. Yeary, and Jo W. Howze 2004, Development of a Low Cost

masukan inverter dari fuel cell.

Fuel Cell Inverter System With DSP Control, Ieee Transactions On Power

UCAPAN TERIMA KASIH Kami

ucapkan Terima

Kasih sebesar-

Electronics, Vol. 19, No. 5

besarnya kepada Dr.Verina J Wargadalam yang telah membantu dalam hal membimbing dan

[6] Janssen, G.J.M., E.F. Sitters, A. Pfrang, 2009, Proton-exchange-membrane fuel

sarana penelitian.

cells durability evaluated by load-on/off DAFTAR PUSTAKA

cycling, Journal of Power Sources 191,

[1]. Beltran.H, N. Aparicio, E. Belenguer, C.

page 501–509.

Cervelló

García,

2008,

Fuel

Cell

Connection Inverters used for Unbalance

[7] Kandlikar Satish G and Zijie Lu, 2009,

Compensation in Low Voltage Distribution

Thermal management issues in a PEMFC

System,

On

stack – A brief review of current status,

Renewable Energies And Power Quality,

Elsevier, Applied Thermal Engineering 29

Santander, Spain, ICREPQ

,1276–1280

International

Conference

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012

121

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122 Vol. 11 No. 2 Desember 2012 : 115 - 122

[8]

Mazumder Sudip K, Rajni K. Burra, Rongjun Huang, Muhammad Tahir, and Kaustuva Acharya 2010, A Universal GridConnected

Fuel-Cell

Inverter

for

Residential Application. IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 57, No. 10

[9] Rayment C. 2003. Introduction to Fuel cell Technology. University of Notre Dame, IN 46556 U.S.A.

[10] Woojin Choi, Prasad N. Enjeti, Jo W. Howze, 2004, Development of an Equivalent Circuit Model of a Fuel Cell to Evaluate the Effects of Inverter Ripple

Current,

Applied

Power

Electronics Conference and Exposition, APEC. Nineteenth Annual IEEE

Diterima redaksi : 25 Mei 2012, dinyatakan layak muat : 17 Desember 2012 122