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 2008
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
ii
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 Membrane Fuel Cell / PEMFC), model, validasi model
iii
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.
iv
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). Maha Benar Allah Yang Maha Agung.
v
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.
vi
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
Muhammad Ismail Aji
vii
DAFTAR ISI ABSTRAK
iii
ABSTRACT
iv
PRAKATA
vi
DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR
viii 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) 2.3.
Perbandingan Karakteristik Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar
2.3.1. Perbandingan Aplikasi Sel Bahan Bakar
12 13 14
2.4.
Alasan pemilihan PEMFC
14
2.5.
Prinsip Kerja PEMFC
15
viii
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
BAB IV
34 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 ix
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 5.5.
Perhitungan Biaya Bahan Bakar dengan Energi
59 60
BAB VI
65
KESIMPULAN DAN SARAN
65
6.1.
Kesimpulan
65
6.2.
Saran
65
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xiii xv
x
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
xi
Gambar 5.1 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus dari Avista Lab tipe SR-12 500W
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 Gambar 5.18 Energi Listrik Yang Dihasilkan Dari 1 mol O2
63
xii
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
xiii
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)
Er 0
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)
PH 2
Tekanan parsial hidrogen (Pascal)
PO2
Tekanan parsial oksigen (Pascal)
P0
Tekanan pada keadaan standar (1 atm) xiv
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
xHsal2O.anoda Fraksi mol saluran anoda H2O xHsal2O.katoda Fraksi mol saluran katoda H2O α
Koefisien transfer elektron
λ
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)
η0
Tegangan aktivasi dasar (Volt)
η
Efisiensi (%)
xv
