72 DEVELOPMENT OF DIGITAL GAS FLOW METER FOR
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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
B ‐ 1
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
listrik untuk mobil, pencatu daya perangkat elektronik, juga generator pembangkit listrik skala
rumah tangga.
PEMFC
Proton
Electron
H2O
Hydrogen
Oxygen
H2
2H+ + 2e- + ½ O 2
2H+ + 2e-
H2O
O2
H2
eGas
alam
H2O
H+
Transformer
anode
cathode
electrolyte
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
bersamaan. Kombinasi kedua gas ini sangat perlu dikontrol untuk mendapatkan power yang
optimal pada fuel cell nantinya.
B ‐ 2
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
Gambar 1. Prototipe digital flow
meter (tampak depan).
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 kirakira 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.
Keterangan :
Preparatus ujicoba fuel cell
1. Tangki Hidrogen
2. Tangki Oksigen
7
3. Botol Pengaman
4. Pressure Gauge
5. Flowmeter
1
6. Fuel Cell
8
7. Multimeter
7
8. Resistor
3
4
3
2
3
5
6
4
3
5
5
Gambar 2. Foto dan bagan sistem percobaan gas flow meter pada uji fuel
cell.
B ‐ 3
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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.
F lo w rate m L/m in
F lo w rate (m L/m in)
1
0
0.5
Time (sec)
2.5
Potential (volt)
Gambar 3. Contoh hasil percobaan gas hidrogen dan oksigen yang
terbaca dan kalibrasi data.
Tabel 1. Spesifikasi data sensor yang digunakan
Output signal
1-5 VDC, max 15 mA
Maximum flow rate
2 L/min
Accuracy
0.0001%
Repeatability
3% full scale
Operating temperature
-10 – 60C
Maximum system pressure
200 kPa
Operating humidity
< 85% RH
Analog signal to
RS-232 converter
Output cable
5 mA signal, 5.7 VDC
signal
Power supply
220 VAC
B ‐ 4
4.5
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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
B ‐ 5
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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
B ‐ 1
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
listrik untuk mobil, pencatu daya perangkat elektronik, juga generator pembangkit listrik skala
rumah tangga.
PEMFC
Proton
Electron
H2O
Hydrogen
Oxygen
H2
2H+ + 2e- + ½ O 2
2H+ + 2e-
H2O
O2
H2
eGas
alam
H2O
H+
Transformer
anode
cathode
electrolyte
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
bersamaan. Kombinasi kedua gas ini sangat perlu dikontrol untuk mendapatkan power yang
optimal pada fuel cell nantinya.
B ‐ 2
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
Gambar 1. Prototipe digital flow
meter (tampak depan).
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 kirakira 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.
Keterangan :
Preparatus ujicoba fuel cell
1. Tangki Hidrogen
2. Tangki Oksigen
7
3. Botol Pengaman
4. Pressure Gauge
5. Flowmeter
1
6. Fuel Cell
8
7. Multimeter
7
8. Resistor
3
4
3
2
3
5
6
4
3
5
5
Gambar 2. Foto dan bagan sistem percobaan gas flow meter pada uji fuel
cell.
B ‐ 3
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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.
F lo w rate m L/m in
F lo w rate (m L/m in)
1
0
0.5
Time (sec)
2.5
Potential (volt)
Gambar 3. Contoh hasil percobaan gas hidrogen dan oksigen yang
terbaca dan kalibrasi data.
Tabel 1. Spesifikasi data sensor yang digunakan
Output signal
1-5 VDC, max 15 mA
Maximum flow rate
2 L/min
Accuracy
0.0001%
Repeatability
3% full scale
Operating temperature
-10 – 60C
Maximum system pressure
200 kPa
Operating humidity
< 85% RH
Analog signal to
RS-232 converter
Output cable
5 mA signal, 5.7 VDC
signal
Power supply
220 VAC
B ‐ 4
4.5
Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007)
Yogyakarta, 24 November 2007
ISSN : 1978 – 9777
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
B ‐ 5