skripsi performansi polymer electrolyte membrane fuel cell dengan

1
SKRIPSI
PERFORMANSI POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL
DENGAN VARIASI JUMLAH SEL FUEL CELL DAN BESAR DAYA INPUT
LISTRIK PADA ELEKTROLIZER
OLEH
RICHARD D. BUTARBUTAR
NIM : 08043052
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS UDAYANA
2012
2
POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL PERFORMANCE
WITH VARIATION OF CELL ON FUEL CELL AND POWER INPUT OF
ELEKTROLIZER
Author
: Richard D. Butarbutar
Guidance
: Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT.
: Ir. Made Suarda, M. Eng.
ABSTRACT
Fuel cells are electrochemical power generation through the process of
combining hydrogen gas (H2) and oxygen (O2). Polymer Electrolyte Membrane Fuel
Cell (PEMFC) is a fuel cell with high efficiency, no pollution and no noise. The
chemical reaction that takes place in the PEMFC is hydrogen gas which is converted
into a proton ( H+ ) with a platinum catalyst (Pt) at the anode, as well as oxygen from the
air is converted into O2 at the cathode. This study uses PEMFC type- ED974x which is
produced by ED Corporation that electrolyzer with PEMFC on one module.
In this study, the variable is used
by varying the input voltage to the
electrolizer i.e. 4 Volt, 3.5 Volt and 3 Volt and varying the cells number in the stack is 2
pieces, 4 pieces, 6 pieces, 8 pieces and 10 pieces. This study measures the voltage and
ampere output with install 3.4 Ohm resistance when the highest output voltage was
stable.
The results show tha the best performance achieved at a voltage input of 4 Volt
and the cell number of 10 pieces with 7.06%, on the other hand the lowest performance
on the 3 Volt input voltage where no identification of voltage and ampere. Increased
input voltage at elektrolizer will increase the output voltage to the fuel cell.
3
Keywords : Polymer electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Electrolyzer, Number
of Cells, Voltage input.
PERFORMANSI POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL
DENGAN VARIASI JUMLAH SEL FUEL CELL DAN BESAR DAYA INPUT
LISTRIK PADA ELEKTROLIZER
Oleh
: Richard D. Butarbutar
Pembimbing : Dr. Eng. Made Sucipta, ST., MT.
: Ir. Made Suarda, M. Eng.
ABSTRAK
Fuel cell adalah pembangkit listrik melalui proses elektrokimia dengan
mengkombinasikan gas hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Polymer Electrolyte Membrane
Fuel Cell (PEMFC) merupakan fuel cell dengan efisiensi tinggi, tanpa polusi, tidak
bising. Reaksi kimia yang berlangsung pada PEMFC adalah gas Hidrogen diubah
menjadi proton (H+) dengan katalis Platina (Pt) pada anoda, demikian pula Oksigen dari
udara diubah menjadi O2- pada katoda. Penelitian ini menggunakan PEMFC tipe ED974x produksi ED Corporation yang mengkombinasikan electrolyzer dengan PEMFC
pada satu modul.
Dalam penelitian ini, variabel yang digunakan adalah dengan memvariasikan
besar tegangan input pada elektroliser sebesar 4 Volt, 3,5 Volt dan 3 Volt serta
memvariasikan jumlah sel dalam satu stack yaitu 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah dan 10
buah. Penelitian ini mengukur tegangan dan arus listrik output dengan memasangkan
hambatan sebesar 3,4 Ohm disaat tegangan output tertinggi stabil.
Dari hasil pengujian diperoleh performansi terbaiknya pada tegangan input 4
Volt dengan jumlah sel 10 buah dengan efisiensi sebesar 7,06 % sedangkan performansi
terendah pada tegangan input 3 Volt dimana tidak teridentifikasinya tegangan dan arus
listrik. Meningkatnya tegangan input pada elektrolizer akan meningkatkan besar
tegangan output pada fuel cell.
4
Kata Kunci : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Elektrolizer, Jumlah
Sel, Tegangan input.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmatNya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Performansi Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cell dengan Variasi Jumlah Sel Fuel Cell dan Besar daya Input Listrik
pada Elektrolizer”.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis tidak sedikit mendapat bantuan dari berbagai pihak,
untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak I Nyoman Suprapta Winaya, ST., MASc., PhD., selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana.
2. Bapak Dr. Eng. Made Sucipta, ST,. MT., selaku Dosen Pembimbing I dalam penulisan
skripsi ini.
3. Bapak Ir. Made Suarda, M. Eng, selaku Dosen Pembimbing II dalam penulisan skripsi
ini sekaligus selaku Dosen Pembimbing Akademik.
4. Bapak Si Putu Gede Gunawan Tista, ST., MT., selaku Koordinator Skripsi.
5. Bapak/Ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Udayana.
6. Rekan – rekan Jurusan Teknik Mesin, keluarga dan semua pihak yang telah membantu
dalam penyelesaian proposal skripsi.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan
pengetahuan dan referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat
membangun sangat penulis harapkan dari berbagai pihak. Sekali lagi penulis mengucapkan
banyak terima kasih dan penulis mohon maaf apabila terdapat kekurangan atau kesalahan dalam
penulisan skripsi ini.
Bukit Jimbaran, November 2012
Penulis
5
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................................... i
LEMBAR PERSETUJUAN......................................................................................... ii
ABSTRAKSI ................................................................................................................ iii
ABSTRACT ................................................................................................................. iv
KATA PENGANTAR .................................................................................................. v
DAFTAR ISI ............................................................................................................... vi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ........................................................................................................ x
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................ xi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
BAB II
Latar Belakang ...................................................................................
Perumusan Masalah ...........................................................................
Batasan Masalah .................................................................................
Tujuan Penelitian ................................................................................
Manfaat Penelitian ..............................................................................
1
2
2
3
3
DASAR TEORI
2.1
Fuel Cell ........................................................................................... 4
2.2
Elektrolisis................................................ ........................................... 6
2.3
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) .......................... 7
2.4
Komponen PEMFC ........................................................................... 9
2.4.1 Membran(Flouroplastic)................................................................ 10
2.4.2 Elektroda ...................................................................................... 10
2.4.3 Lapisan Difusi Gas......................................................................... 11
6
2.4.4 Plat Bipolar .................................................................................... 11
2.5
BAB III
Tegangan, Muatan, Daya dan Efisiensi Kerja Fuel Cell ...................... 12
METODE PENELITIAN
3.1
Rancangan Penelitian ......................................................................... 14
3.2
Bahan dan Peralatan Uji .................................................................... 16
3.2.1 Bahan-bahan ................................................................................. 16
3.2.2 Peralatan Uji................................................................................... 16
3.2.3 Prosedur Penelitian ........................................................................ 16
BAB IV
3.3
Diagram Alir ..................................................................................... 18
3.4
Tempat Penelitian ............................................................................. 19
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1
Data Hasil Pengujian ......................................................................... 19
4.2
Pengolahan Data ................................................................................ 26
4.2.1 Daya yang Dihasilkan ...................................................................... 26
4.3
Analisa dan Pembahasan .................................................................... 30
4.3.1 Analisa Tegangan Output ................................................................ 30
4.3.2 Analisa Arus Listrik Output ............................................................. 32
4.3.3 Analisa Daya Output ....................................................................... 34
4.4
BAB V
Efisiensi Kerja PEMFC...................................................................... 36
PENUTUP
5.1
Kesimpulan ...................................................................................... 40
5.2
Saran ................................................................................................ 40
7
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 42
LAMPIRAN ................................................................................................................ 43
8
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Reaksi Sederhana pada fuel cell................................................................. 5
Gambar 2.2 Proses Elektrolisis ..................................................................................... 7
Gambar 2.3 Proses pada sel PEMFC. ........................................................................... 8
Gambar 2.4
Skematic PEMFC...................................................................................... 9
Gambar 3.1 Skema alat uji PEMFC .............................................................................. 14
Gambar 3.2 Stack yang terdiri dari 10 buah sel ............................................................ 15
Gambar 3.3 Electrolyzer .............................................................................................. 15
Gambar 3.4 Tahap-tahap dalam penelitian .................................................................... 18
Gambar 4.1 Perbandingan Tegangan pada Tegangan Input 4 Volt ................................ 31
Gambar 4.2 Perbandingan Tegangan pada Tegangan Input 3,5 Volt ............................. 32
Gambar 4.3 Perbandingan Tegangan pada Tegangan Input 3 Volt ................................ 32
Gambar 4.4 Perbandingan arus listrik pada tegangan input 4 volt ................................. 33
Gambar 4.5 Perbandingan arus listrik pada tegangan input 3,5 volt ............................... 34
Gambar 4.6 Perbandingan arus listrik pada tegangan input 3 volt ................................. 34
Gambar 4.7 Perbandingan Daya pada tegangan input 4 volt .......................................... 35
Gambar 4.8 Perbandingan Daya pada tegangan input 3,5 volt ...................................... 36
Gambar 4.9 Perbandingan Daya pada tegangan input 3 volt .......................................... 36
9
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1
Tegangan Output untuk tegangan input (V0) 4 Volt.................................... 20
Tabel 4.2
Tegangan Output untuk tegangan input (V0) 3,5 Volt ................................. 21
Tabel 4.3
Tegangan Output untuk tegangan input (V0) 3 Volt.................................... 22
Tabel 4.4
Arus Listrik Output untuk tegangan input (V0) 4 Volt ................................ 23
Tabel 4.5
Arus Listrik Output untuk tegangan input (V0) 3,5 Volt ............................. 25
Tabel 4.6
Arus Listrik Output untuk tegangan input (V0) 3 Volt ................................ 26
Tabel 4.7
Daya Output untuk tegangan input (V0) 4 Volt (Watt)................................ 28
Tabel 4.8
Daya Output untuk tegangan input (V0) 3,5 Volt (Watt) ............................. 29
Tabel 4.9
Daya Output untuk tegangan input (V0) 3 Volt (Watt)................................ 30
Tabel 4.9
Efisiensi PEMFC pada tegangan Input 4 Volt (%) ...................................... 38
Tabel 4.9
Efisiensi PEMFC pada tegangan Input 3,5 Volt (%) ................................... 39
Tabel 4.9
Efisiensi PEMFC pada tegangan Input 3 Volt (%) ...................................... 39
10
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1.
Foto-foto Penelitian .................................................................. ................ 44