studi eksperimen dan simulasi cfd karakteristik arus .../studi... · perpustakaan.uns.ac.id...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS-

TEGANGAN DAN ARUS-DAYA PROTON EXCHANGE MEMBRANE

FUEL CELL

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Disusun oleh

Muhammad Imam Saputra

I0407046

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2012


commit to user

ii


commit to user

iii


commit to user

iv

MOTTO

Hai orang-orang yang beriman, mintalah pertolongan (kepada

Allah) dengan sabar dan (mengerjakan) salat, sesungguhnya Allah beserta

orang-orang yang sabar.

(QS Al-Baqarah:153)

Sesungguhnya Allah tidak melihat pada bentuk rupamu dan

hartamu, tetapi melihat kepada hati dan amalanmu.

(Muhammad SAW)

Saya tak mau jadi pohon bambu, saya mau jadi pohon oak yang

berani menentang angin.

(Soe Hok Gie)

Mereka pikir ini sulit, tapi bagi kami ini tantangan

(Lab. Biofuel & Advanced Energy)


commit to user

v

PERSEMBAHAN

Aku persembahkan karya ini kepada:

Atas kuasa-Nya penulis ada dan mampu mencapai level kehidupan seperti ini.

Pemberi petunjuk dan teladan yang sempurna dalam menjalani kehidupan

Serta kepada keluarga dan Kepada mereka yang memberi inspirasi, serta dukungan.

Kepada mereka yang haus akan ilmu.

Kepada mereka yang berani membuat perbedaan.


commit to user

vi

STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN DAN ARUS-DAYA PROTON EXCHANGE MEMBRANE

FUEL CELL

Muhammad Imam Saputra Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta E-mail : [email protected]

Abstrak

Fuel cell merupakan salah satu alat konversi energi yang langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik dengan efisiensi yang tinggi dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik arus-tegangan dan arus-daya dari fuel cell J101 serta parameter-parameter yang berpengaruh pada efisiensi fuel cell. Penelitian ini terdiri dari dua tahap yaitu eksperimen dan simulasi dengan CFD (Computational Fluid Dynamic). Eksperimen menggunakan fuel cell J101 yang merupakan perangkat fuel cell jenis PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel cell) produk dari H-tec dengan luas penampang membran fuel cell adalah 4 cm2. Bahan bakar (H2 dan O2) hasil elektrolisis ditampung di gas storage kemudian direaksikan pada fuel cell. Reaksi ini menghasilkan produk berupa listrik dan panas. Karakteristik dan efisiensi fuel cell diuji dengan memberi hambatan yang berbeda-beda sehingga dihasilkan arus dan tegangan yang bervariasi. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa fuel cell J101 dapat menghasilkan daya tertinggi sebesar 556 mW pada arus 1335 mA dan tegangan 416,75 mV. Efisiensi energi tertinggi adalah 57,8% pada arus 55,48 mA dan tegangan 787,62 mV. Hasil simulasi CFD menunjukkan kesamaan kurva karakteristik I-V dan I-P dengan hasil eksperimen. Untuk bahan-bakar hidrogen murni, tidak terlihat adanya pengaruh dari porositas katalis dan gas diffusion layer terhadap arus yang dihasilkan fuel cell. Adanya kenaikan temperatur kerja fuel cell dari 30°C, 50°C, dan 75°C menyebabkan penurunan arus yang dihasilkan oleh fuel cell. Hasil scale up menunjukkan bahwa perbesaran luas membran dua kali lipat dapat meningkatkan daya maksimum hingga dua kali lipat.

Kata kunci: Fuel cell, PEMFC, CFD, Porositas katalis, Gas diffusion layer.


commit to user

vii

EXPERIMENT AND CFD SIMULATION STUDY OF CURRENT-VOLTAGE AND CURRENT-POWER CHARACTERISTIC OF PROTON

EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL

Muhammad Imam Saputra Department of Mechanical Engineering

Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta

E-mail : [email protected]

Abstract Fuel cell is one of energy conversion devices which changes chemical energy into electrical energy directly. Having high efficiency and environmental friendly are its characteristic. This research aims for knowing characteristics of J101 fuel cell, namely power voltage and current flow. Furthermore, it studied what parameters that affected the efficiency of the fuel cell. The research study is consisted of two steps; they were experiments and simulation using CFD (computational fluid dynamic). The experiments used J101 fuel cell which included the type of PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell). It have four centimeters membrane cross sectional produced by H-Tec. The electrolysis process produced hydrogen and oxygen which were collected in the gas storage. After collecting those fuels, they were reacted in fuel cell. This reaction produced electricity and heats. The characteristic and the efficiency of fuel cell were tested by giving them different load so that the variety of currents and voltage can be investigated properly. The research study showed that maximum power of fuel cell J101 was 556 mW at 1335 mA of currents and at 416.75 mV of voltages. The peak of energy efficiency was 57.8% at 57.48 mA of currents and at 787.62 mV of voltages. Based on the research, it could be seen that I-V and I-P characteristics curve of CFD simulation result was almost close to the experiments result. The influence of the catalyst porosity and gas diffusion layer porosity of pure hydrogen had no effect to output current of fuel cell. The increasing of fuel cell temperature of 30 ºC, 50 ºC and 75 ºC caused the decreasing of current which was produced by fuel cell. The result of scale up show that scale up of membrane cross sectional area two times increased the maximum power twice.

Key words: Fuel cell, PEMFC, CFD, Catalyst Porosity, Gas Diffusion Layer


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur hanya kepada Allah SWT yang Maha Pengasih dan

Maha Penyayang, shalawat serta salam untuk Nabi besar Muhammad SAW

yang telah menjadi suri tauladanbagi umat manusia. Walaupun berbagai

rintangan dan hambatan yang dihadapi selama pembuatannya, akhirnya atas

berkat rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Dengan segala keterbatasan dan kemampuan dalam proses

pembuatannya, penulis menyadari bahwa proses pembuatan skripsi ini tidak

lepas dari bimbingan, bantuan, arahan serta dorongan dan doa dari berbagai

pihak. Oleh karena itu dengan segala ketulisan hati, penulis mengucapkan

terima kasih kepada :

1. Allah SAW, Tuhan semesta alam. Atas kuasa-Nya penulis sampai pada level

ini.

2. Bapak Dr. techn. Suyitno, ST., MT. selaku pembimbing I atas bimbingan dan

ilmu yang bermanfaat hingga penulis menyelasikan skripsi ini.

3. Bapak Zainal Arifin, ST., MT. selaku pembimbing II dan Pembimbing

Akademis yang telah memberikan ilmu, bimbingan dan arahan dalam

menyelesaikan skripsi ini dan menyelesaikan studi di Universitas Sebelas

Maret ini.

4. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT. Selaku Koordinator Tugas Akhir.

6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret

yang turut mendidik penulis hingga dapat menyelesaikan studi S1.

7. Kedua Orang tua tersayang atas segala kasih sayang, pengorbanan dan

jasanya yang tak terkira, memberikan dukungan moril maupun matriil,

semangat, doa yang tulus dan ikhlas kepada penulis.

8. ‘Adek’ yang menjadi salah satu motivasi penulis.

9. Keluarga ‘mbah’ Parman dan ‘mbah’ Yusrin yang banyak memberikan

inspirasi serta dukungan kepada penulis.


commit to user

ix

10. Rekan-rekan Jurusan Teknik mesin khususnya angkatan 2007 dan rekan-

rekan Lab. Biofuel &Advanced Energy yang banyak membantu penulis dalam

penulisan skripsi dan menyelesaikan studi S1 Teknik Mesin.

11. H-tec dan Google, yang membantu penulis mendapatkan informasi yang

diperlukan

12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran sangat penulis harapkan untuk kesempurnaan

skripsi ini.Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita

semua.

Surakarta,

November 2012

Penulis


commit to user

x

DAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ......................................................................... 1

1.2. Batasan Masalah ....................................................................... 2

1.3. Rumusan Masalah .................................................................... 3

1.4. Tujuan dan Manfaat .................................................................. 3

1.5. Sistematika Penulisan ............................................................... 3

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka ...................................................................... 5

2.2. Dasar Teori............................................................................... 8

2.2.1. Fuel Cell................................................................................... 8

2.2.2. PEMFC .................................................................................. 11

2.2.3. Termodinamika Fuel Cell ....................................................... 13

2.2.4. Teori Tentang Computational Fluid Dynamic

(CFD)FLUENT-GAMBIT...................................................... 16

2.2.5. Prosedur Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT

(Geometry and Mesh Building Intelligent Toolkit) ................. 17

2.2.6. Pemodelan denganFLUENT ................................................... 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Pengujian ................................................................... 21

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan ............................................. 21

3.3. Solar-Hydrogen Energy .......................................................... 25

3.4. Uji Karakteristik Arus-Tegangan dan Arus-Daya Fuel Cell. ... 26

3.5. Variasi Pengujian ................................................................... 27

3.6. Skema penelitian .................................................................... 28

3.7. Tahap Penelitian ..................................................................... 29

3.8. Prosedur Percobaan (Experiment) ........................................... 30

3.9. Pemodelan dengan GAMBIT-FLUENT ................................... 30

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Eksperimen Unit Fuel Cell J101 ............................................. 33

4.2. Simulasi CFD Fuel Cell J101 ................................................. 36


commit to user

xi

4.3. Parameter yang Berpengaruh pada Performa Fuel Cell. .......... 44

4.4. Scale Up ................................................................................. 49

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ............................................................................ 52

5.2. Saran ...................................................................................... 52

Daftar Pustaka ............................................................................................... 53


commit to user

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema sederhana fuel cell (Moran dkk., 2004) .................................. 8

Gambar 2.2. Jenis-jenis fuel cell dan aplikasinya (European-Commission,

2003) ................................................................................................ 9

Gambar 2.3. Skema Proton Exchange Membrane (Voight dkk., 2009) ................ 12

Gambar 2.4. Reaksi pada PEMFC (Voight dkk., 2009) ...................................... 12

Gambar 2.5. Karakteristik performa fuel cell (Spiegel, 2007). ............................. 14

Gambar 2.6. Prosedur Pemodelan FLUENT-GAMBIT. ...................................... 17

Gambar 3. 1 Satu set Junior basic J101 (Voight dkk., 2009) .............................. 21

Gambar 3.2. PEM Fuel Cell (Voight dkk., 2009). ............................................... 21

Gambar 3.3. PEM Electrolyzer (Voight dkk., 2009). ............................................ 22

Gambar 3.4. Proses Elektrolisis (Voight dkk., 2009). .......................................... 22

Gambar 3.5. Gas Storage kapasitas 30 ml(Voight dkk., 2009). ............................ 23

Gambar 3.6. Solar Module (Voight dkk., 2009). .................................................. 23

Gambar 3.7. Resistor, Multimeter, Stopwatch. .................................................... 25

Gambar 3.8. Solar-Hydrogen Cycle (Voight dkk., 2009) ...................................... 26

Gambar 3.9. Skema penelitian pemodelan Fuel cell. ........................................... 28

Gambar 3.10. Skema pengambilan data eksperimen. ........................................... 28

Gambar 3.11. Tahap penelitian pemodelan Fuel Cell .......................................... 29

Gambar 3.12. Grid dan meshfuel cell .................................................................. 31

Gambar 4.1. Kurva karakteristik arus-tegangan (I-V). ........................................ 34

Gambar 4.2. Kurva karakteristik Arus- Daya (I-P) dan efisiensi fuel cell J101

(eksperimen). .................................................................................. 35

Gambar 4.3. H2O yang terbentuk pada variasi hambatan 0.3 Ohm dan 100

Ohm. .............................................................................................. 36

Gambar 4.4. Tampak depan dari skema model geometri fuel cell. ....................... 37

Gambar 4.5. Mesh dan grid fuel cell J101............................................................ 38

Gambar 4.6. Perbandingan kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) eksperimen

dengan simulasi fuel cell J101. ........................................................ 39

Gambar 4.7. Perbandingan kurva arus-daya (I-P) hasil eksperimen dan simulasi

fuel cell J101 .................................................................................. 40


commit to user

xiii

Gambar 4. 8. Perbandingan penurunan tekanan pada anoda dan katoda (posisi 0

untuk Outlet dan posisi 0,0727 untuk Inlet). .................................... 41

Gambar 4.9. Kontur tekanan (Pa) dalam anoda dan katoda. ................................. 42

Gambar 4. 10. Perbandingan fraksi massa H2O terbentuk dengan variasi

hambatan (posisi 0 untuk Outlet dan posisi 0,0727 untuk Inlet). ... 43

Gambar 4.11. Kontur fraksi massa H2O pada variasi 0.404 volt dan 0.792 volt. .. 43

Gambar 4. 12. Perbandingan fraksi massa H2 pada GDL dengan variasi

porositas GDL. ............................................................................. 46

Gambar 4.13. Kontur H2 pada channel anoda dengan variasi porositas gas

diffusion layer. ............................................................................. 46

Gambar 4. 14. Perbandingan fraksi massa H2O terbentuk dengan variasi

porositas katalis (posisi 0 untuk Outlet dan posisi 0,0727 untuk

Inlet) ............................................................................................ 48

Gambar 4.15. Kontur fraksi massa H2O yang terbentuk. ...................................... 48

Gambar 4.16. Geometri fuel cell dengan luas membran 8 cm2. ............................ 50

Gambar 4.17. Kurva I-V untuk fuel cell dengan luas membran 8 cm2 .................. 51

Gambar 4.18. Kurva I-P dan efisiensi untuk fuel cell dengan luas membran 8

cm2 ............................................................................................... 51


commit to user

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. Jenis-jenis fuel cell dan komponen penyusun (Spiegel, 2007). ........... 10

Tabel 2. 2. Perbedaan efisiensi, densitas energi dan waktu start up fuel cell

(Spakovsky, 1999) ............................................................................. 11

Tabel 2. 3. Kriteria Kualitas Mesh berdasarkan equiangle skew. .......................... 18

Tabel 3. 1. Spesifikasi multimeter. ..................................................................... 24

Tabel 4. 1. Data hasil percobaan fuel cell J101. .................................................. 33

Tabel 4. 2. Efisiensi Fuel Cell J101. .................................................................... 35

Tabel 4. 3. Parameter untuk membuat geometri pemodelan fuel cell.................... 37

Tabel 4. 4. Perbandingan hasil eksperimen dengan simulasi. ............................... 39

Tabel 4. 5. Perbandingan data perhitungan arus dengan rumus empiris dengan

simulasi. ............................................................................................ 40

Tabel 4.6. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi temperatur....................... 44

Tabel 4.7. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas gas diffusion

layer. ................................................................................................. 45

Tabel 4.8. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas katalis .............. 47


commit to user

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Tabel 1. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 0.3 Ohm

Tabel 2. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 1 Ohm







Tabel 9. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 1 MOhm


commit to user

xvi

DAFTAR NOTASI

: Convective derivative : Laju alir massa (kg/s)

a : Panjang sisi persegi panjang mesh (satuan panjang) b : Lebar sisi persegi panjang mesh (satuan panjang) Cp : Specific heat capacity (kJ/kg.K) Di : koeffisien difusi E : Perbedaan potensial listrik (Volt) Eelectric : Energi listrik (Watt) Ehidrogen : Energi kimia hidrogen (Watt) Er : Tegangan reversibel standard (Volt) F : Konstanta Faraday (96487 C/mol) hi : Entalpi masuk sistem (J/kg) hj : Entalpi keluar sistem (J/kg) I : Arus (Ampere) i : Current density (A/m2) io : Refference current density (A/m2) keff : Effective thermal conductivity (W/mK) M : Berat molekul oksigen (kg/kmol) mi : Massa masuk system (kg) mj : Massa keluar system (kg) n : jumlah mol elektron P : Daya (Watt) p : Tekanan (Pa) Q : Muatan listrik (Coulumbs) QEAS : EquiAngle Skew QEVS : EquiSize Skew R : konstanta gas ideal (J/mol.K) S : Luasan/volume elemen mesh Seq : Maksimum luasan/volume elemen mesh Si : Source of species Sm : Source of mass SM : Source of momentum ST : Source of energy T : Temperature (K) t : Waktu (s) U : Kecepatan (m/s) V : Tegangan (Volt) Virrev : Tegangan irreversible (Volt) Vrev : Tegangan reversible (Volt) Welec : Kerja elektrik (Watt) Xi : Fraksi massa spesies i

: Activity of species : Perubahan energy Gibss (J/mol.K) rxn : Perubahan energi Gibss pada reaksi (J/mol.K) : Perbahan entalpi (J/kg)


commit to user

xvii

: Perubahan entropi (J/kg.K) act : Activation Overvoltage (Volt)

: Porositas Medium energy : Efisiensi energi

: Sudut karakteristik dari elemen mesh ( ) : Sudut maksimum dari elemen mesh ( )

: Sudut minimum dari elemen mesh ( )

: Massa jenis (kg/m3)


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Semakin meningkatnya kebutuhan energi yang tidak diiringi dengan

penambahan suplai bahan baku dapat menyebabkan krisis energi di Indonesia.

Pada saat ini BBM (Bahan Bakar Minyak) merupakan bahan baku utama untuk

kebutuhan energi di Indonesia. Namun, cadangan minyak tersebut semakin lama

semakin menipis. Menyadari ketergantungan yang sangat besar kepada minyak

bumi tersebut, maka telah dan sedang dilakukan berbagai upaya untuk

mengurangi ketergantungan tersebut dengan menggunakan bahan bakar non-

minyak untuk memenuhi kebutuhan energi di dalam negeri.

Menurut data pada tahun 2009 penggunaan minyak bumi untuk memenuhi

kebutuhan energi Indonesia mencapai 50,9%. Sumber energi yang lain adalah batu

bara 25,1%, gas alam 20%, panas bumi 2,1%, dan sisanya energi baru terbarukan

(EBT). Pada sisi lain terdapat Perpres No. 5/2006 tentang Kebijakan Energi

Nasional dimana pemerintah menargetkan penggunaan EBT sebesar 17% pada

tahun 2025. Selain itu UU no. 30/2007 tentang energi mendorong untuk

memanfaatkan energi baru terbarukan (ESDM, 2009). Pemanfaatan energi non-

minyak yang sudah berhasil antara lain adalah batubara dan gas bumi sebagai

bahan bakar di pembangkit listrik (ESDM, 2009). Kebutuhan teknologi

pembangkit listrik di masa depan memerlukan teknologi yang bahan bakunya

terjamin, berefisiensi tinggi dan ramah lingkungan.

Salah satu sistem pembangkit listrik yang memenuhi kriteria di atas adalah

fuel cell. Fuel cell merubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung

sehingga berefisiensi tinggi. Salah satu bahan bakar fuel cell adalah hidrogen.

Hidrogen adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dimana

reaksinya dengan oksigen menghasilkaan produk berupa uap air dan energi. Selain

itu hidrogen dapat diperoleh dari berbagai jenis sumber energi baik yang

terbarukan maupun tidak terbarukan seperti biomassa, air, minyak bumi, batubara

dan lainnya dengan melalui proses seperti gasifikasi, elektrolisis, ataupun secara

biologi.


commit to user

2

Hidrogen sendiri dapat digunakan langsung pada Internal Combustion

Engine (EG & G Technical service) atau melalui Fuel Cell. Dibandingkan dengan

ICE, Fuel Cell memiliki efisiensi lebih besar yaitu dapat mencapai 90% secara

termodinamika (EG & G Technical service, 2004). Bahan bakar dari fuel cell bisa

berupa hydrogen (proton exchange membrane fuel cell), Methanol (direct

methanol fuel cell), biogas, biomassa, gas alam. Fuel cell ini juga dapat digunakan

untuk pembangkit listrik sumber daya peralatan transportasi, atau sumber daya

yang portable seperti baterei laptop (European-Commission, 2003).

Fuel cell sangat ideal untuk sumber energi terbarukan. Jika dibanding

dengan solar energy atau wind energy, fuel cell memiliki aplikasi yang lebih luas.

Tidak seperti solar dan wind energy yang harus berada pada tempat yang memiliki

sumber energi cukup, ataupun sumber listrik seperti PLTA, PLTD yang harus

statis di suatu tempat sehingga membutuhkan sistem transmisi kabel untuk

mendistribusikan energi listrik, fuel cell dapat berada di manapun listrik

dibutuhkan. Transmisi ini sendiri memiliki rugi-rugi sebesar 7-10% serta

membutuhkan tegangan yang besar untuk dialirkan ke tempat yang jauh (Spiegel,

2007). Fuel cell juga tidak memiliki bagian yang bergerak sehingga tidak akan

menimbulkan kebisingan.

Namun teknologi untuk fuel cell ini masih mahal di Indonesia. Hal inilah

yang mendorong perlunya dilakukan penelitian tentang fuel cell ini khususnya dari

karakteristik performa. Untuk meneliti karakteristik performa dapat digunakan

software dimana salah satunya adalah Fluent. Dengan pemodelan diharapkan

dapat dilakukan proses reverse engineering untuk mengembangkan fuel cell yang

lebih baik.

1.2. Batasan Masalah

Pada penelitian ini, permasalahan dibatasi pada:

1. Fuel cell yang digunakan berjenis proton exchange membrane fuel cell

(PEMFC) J101 merk H-Tec.

2. Reaktan yang dipakai adalah H2 dan O2 dari hasil elektrolisis menggunakan

perangkat elektrolisis H-Tec J101.

3. Geometri untuk simulasi digambar dengan software GAMBIT 2.4.6.


commit to user

3

4. Simulasi menggunakan computational fluid dynamic(CFD) pada kondisi

steady state dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26.

1.3. Rumusan Masalah

Perumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana karakteristik I-V, I-P dari fuel cell J101.

2. Bagaimana karakteristik I-V, I-P dari simulasi fuel cell J101.

3. Bagaimana perbandingan antara karakteristik I-V, I-P aktual dan simulasi.

4. Bagaimana pengaruh porositas gas diffusion layer, porositas katalis dan

temperatur terhadap performa fuel cell dari uji simulasi.

5. Bagaimana meningkatkan kapasitas dari fuel cell dengan menggunakan

simulasi.

1.4. Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui karakteristik I-V, I-P dari fuel cell.

2. Membandingkan karakteristik I-V, I-P dari fuel cell antara metode

eksperimen dan simulasi.

3. Mengetahui parameter-parameter yang berpengaruh langsung dengan

performa fuel cell dan kemudian membuat model simulasi fuel cell dengan

skala yang lebih besar.

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat:

1. Mampu meningkatkan pemahaman tentang cara kerja fuel cell dan bagian-

bagian yang ada pada fuel cell.

2. Mendapatkan parameter-parameter yang berpengaruh terhadap performa fuel

cell.

3. Mendapatkan model fuel cell dengan kapasitas yang lebih besar.

1.5. Sistematika Penu lisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, berisi latar belakang penelitian, tujuan dan manfaat


commit to user

4

penelitian, perumusan masalah, batasan masalah dan sistematika

penulisan.

BAB II : Landasan teori, berisi tinjauan pustaka dan dasar teori yang

berkaitan dengan fuel cell dan CFD.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan

dan pengambilan data.

Bab IV : Data dan Analisa, berisi data hasil pengujian dan analisa data

hasil pengujian.

Bab V : Penutup, berisi kesimpulan penelitian dan saran yang berkaitan

dengan penelitian yang dilakukan.


commit to user

5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pu staka

Pemodelan proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) pernah

dilakukan dengan menggunakan software Fluent 6.3. Pemodelan menggunakan

model tiga dimensi (3D). Dalam peneilitian tersebut digunakan reaktan H2 dan O2.

Tujuan penelitian tersebut adalah untuk mengetahui pengaruh porositas Gas

Diffusion Layer (0.2, 0.4, 0.6, dan 0.8) terhadap performa fuel cell. Hasil yang

ditunjukkan dari simulasi adalah pada tegangan dibawah 0.8 V semakin besar

porositas semakin tinggi densitas arus yang dihasilkan. Namun pada tegangan

diatas 0.8 V semua variasi porositas menunjukkan hasil densitas arus yang hampir

sama (Wei dkk., 2011). Dengan menggunakan software fluent pemodelan yang

dilakukan dapat menjadi lebih mudah. Hal ini karena semua nilai dari parameter

fuel cell yang perlu dimasukkan dalam model adalah nilai dari beberapa parameter

secara langsung seperti mass flow, temperatur, tekanan dan lain-lain. Fluent

sendiri menyediakan pemodelan secara 2D dan 3D. Dengan fluent juga dapat

dilihat kontur tekanan, temperatur, kecepatan fluida sampai fraksi massa dari zat.

Namun sayangnya, pada penelitian ini tidak ada validasi dari hasil pemodelan

dengan eksperimen langsung. Pada dasarnya sebuah model harus memiliki

pembanding dengan keadaan nyata agar dapat diketahui apakah model yang

dibuat mendekati pada keadaan nyata. Untuk variasi porositas dari diffusion layer

tidak memberikan hasil yang signifikan pada performa fuel cell. Karena pada

tegangan tinggi sampai sedang 1.1-0.7 V hampir tidak ada perbedaan karakteristik

I-V dari semua variasi. Perbedaan baru terlihat pada tegangan kurang dari 0.7 V.

Maka perlu adanya penelitian lebih lanjut mengenai parameter lain untuk

meningkatkan performa fuel cell.

Percobaan lain dilakukan untuk mengetahui pengaruh geometri dari flow

pattern terhadap performa dari mikro Proton Exchange Membrane fuel cell

(PEMFC). Dalam studi ini geometri yang dimaksud adalah sudut belokan pada

flow pattern dan juga rib/channel dari flow pattern tersebut. Penelitian ini


commit to user

6

menggunakan mikro fuel cell dengan membran nafion NRE212 dengan luas

permukaan 1,44 cm2. Terdapat tiga variasi sudut belokan dan tiga variasi

rib/channel. Variasi sudut belokan yang digunakan adalah 30-150, 60-120 dan 90-

90. Sedangkan variasi dari rib/channel adalah 500/700 m, 800/700 m dan

100/500 m. Hasilnya menunjukkan bahwa pada sudut tikungan 60° dan 120°

dapat memberikan kinerja yang lebih baik pada 20 dan 40 sccm (standard

centimeter cubic per minute) laju aliran inlet dibandingkan dengan desain

konvensional yaitu flow pattern dengan sudut belokan 90o-90o. Selain itu, saluran

yang lebih luas dengan jarak rib/channel sempit memberikan kinerja yang lebih

baik. Dengan flow pattern yang lebih luas memberikan sensitifitas yang lebih baik

dari kerja mikro fuel cell. Performa PEMFC akan menurun seiring naiknya flow

rate (Chen dkk., 2009). Penelitian secara langsung seperti ini akan menghasilkan

data pada kondisi sebenarnya. Namun dengan penelitian secara langsung harus

disiapkan specimen uji dari variasi geometri flow pattern, sehingga membutuhkan

biaya yang lebih dalam pembuatan specimen. Penelitian pun terbatas pada

pengujian terhadap specimen yang ada. Jika terdapat kemungkinan dari bentuk baru

yang lebih optimal maka harus membuat bentuk tersebut dan dilakukan pengujian.

Penelitian tentang pemodelan dan eksperimen tentang SOFC APUs (Solid

Oxide Fuel Cell Auxiliary Power Units) menjelaskan bahwa untuk implementasi

SOFC pada bidang transportasi, terdapat kriteria-kriteria yang harus terpenuhi agar

kerja dari fuel cell dapat optimal. Kriteria-kriteria tersebut adalah temperatur operasi

yang rendah, konfigurasi fuel cell yang optimal, standarisasi produk, dan kontrol

yang maksimal. Dalam hal ini pemodelan yang dibantu data eksperimen akan

sangat membantu dalam mengembangkan fuel cell untuk memenuhi kriteria

tersebut. Penelitian yang dilakukan terdiri dari beberapa tahap yaitu tahap

eksperimen untuk mengetahui kondisi nyata dari fuel cell. Kemudian membuat

model fisik untuk memodelkan fuel cell. Kemudian control-oriented modeling

untuk mencari kontrol yang maksimal untuk mengimplementasikan fuel cell pada

bidang transportasi. Hasilnya adalah data hasil simulasi fisik dan eksperimen adalah

mendekati sama. Tidak seperti SOFC APUs tanpa kontrol, SOFC APUs dengan

kontrol akan terhindar dari temperatur yang membahayakan yaitu diatas 180oC.

Namun kondisi kerja untuk fuel cell yang menggunakan sistem kontrol masih relatif


commit to user

7

tinggi dibanding dengan PEMFC yaitu berkisar antara 150-160oC. Selain itu SOFC

membutuhkan reformer dan air pre heater untuk aplikasinya. PEMFC hanya

membutuhkan gas storage untuk menampung bahan bakar (Pianese dkk., 2010).

Penelitian tentang pemodelan PEMFC juga dapat menggunakan

MATHLAB/SIMULINK dan PSPICE. Inti dari pemodelan yang dilakukan adalah

memodelkan PEMFC mendekati keadaan asli dengan asumsi-asumsi yang telah

dibuat, diantaranya temperatur kerja, dimensi fuel cell dan lain sebagainya.

Setelah itu dilakukan validasi dengan uji nyata yang mana propertis yang

dimasukkan ke dalam model adalah mengikuti uji nyata ini. Pengujian tersebut

menggunakan 500-W Avista Labs SR-12 PEM fuel cell stack. Hasil dari simulasi

tersebut berupa karakteristik I-V, I-P, respon temperatur, dan transient responses.

Ternyata hasil dari simulasi memperlihatkan hasil yang mendekati dengan hasil

uji spesimen langsung. Sehingga dengan model ini dapat memprediksi kelistrikan

dari PEMFC stack baik dalam kondisi steady maupun transient (Wang dkk.,

2005). Pemodelan dengan menggunakan MATHLAB/SIMULINK dan PSPICE

perlu memasukkan parameter dari fuel cell sampai dengan properties dari material

yang digunakan. Langkah ini dapat dipersingkat jika menggunakan software fluent

karena fluent telah menyediakan database properties material untuk pemodelan

fuel cell. Pada penelitian ini pemodelan dilakukan sampai mengetahui

karakteristik performa dari fuel cell, sedangkan dari model yang telah dibuat

tersebut memungkinkan untuk diteliti parameter yang dapat meningkatkan

performa dari fuel cell.

Sel bahan bakar merupakan sumber daya baru yang paling menarik karena

tidak hanya memecahkan masalah lingkungan, tetapi juga masalah sumber daya

alam tak terbarukan. Pernah dilakukan penelitian menggunakan analisa numerik

untuk mengetahui efisiensi dari fuel cell dengan bentuk micro channel yang

berbeda. Karakteristik aliran dengan kondisi batas yang sama disimulasikan dalam

enam bentuk micro channel yang berbeda baik yang telah ada maupun rancangan

baru. Hasil analisis menunjukkan bahwa karakteristik aliran seperti kecepatan,

keseragaman, dan laju aliran, sangat tergantung pada bentuk saluran itu sendiri.

Itu berarti efisiensi sel bahan bakar mikro bisa ditingkatkan melalui konfigurasi

yang optimal dari bentuk saluran untuk aliran gas hidrogen. Hasil penelitian ini


commit to user

8

menunjukkan bahwa bentuk terbaik untuk saluran gas hidrogen adalah dengan

bentuk bukan alur, melainkan ruangan dengan tonjolan-tonjolan yang teratur

didalamnya. Micro channel dengan bentuk tersebut memiliki aliran gas lebih

uniform dan dari hasil analisa numerik menunjukkan peningkatan efisiensi fuel

cell. Tahap terakhir adalah pembuatan channel tersebut dengan metode SU-8

(epoxy type negative photo-resist) yang mana merupakan metode yang mudah

untuk membuat bentuk yang rumit dalam skala mikro (Choi dkk., 2009).

Sayangnya dengan bentuk tersebut ternyata channel dari fuel cell sulit untuk

dibuat. Pembuatan micro channel dengan metode SU-8 memberikan efek negatif

berupa penurunan performa fuel cell karena adesi material elektroda ke channel.

Sehingga perlu dicari material yang lebih baik untuk membuat geometri yang

paling optiamal tersebut.

2.2. Dasar Teori

2.2.1. Fuel Cel l

Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah alat dimana bahan bakar dan

pengoksidasi melalui sistem reaksi kimia terkontrol dan menghasilkan produk dan

arus listrik secara langsung ke sebuah rangkaian eksternal seperti ditunjukkan

pada Gambar 2.1. Bahan bakar dan pengoksidasi tidak bereaksi pada suatu proses

pembakaran yang cepat, namun bereaksi secara bertahap pada elektroda-elektroda

yang terpisah. Elektroda positif selanjutnya disebut katoda dan elektroda negatif

disebut anoda. Sebuah elektrolit memisahkan kedua elektroda tersebut. Laju

terjadinya reaksi dibatasi oleh waktu yang dibutuhkan untuk difusi spesies kimia

melalui elektroda dan elektrolit dan kinetika reaksi (Moran dkk., 2004).

Gambar 2.1. Skema sederhana fuel cell (Moran dkk., 2004)


commit to user

9

Dalam sel bahan bakar, bahan bakar gas dialirkan secara terus-menerus ke

katoda (elektroda positif), sedangkan oksidan (oksigen murni atau udara)

diumpankan secara terus menerus ke Anoda (elektroda negatif). Reaksi

elektrokimia berlangsung di elektroda untuk menghasilkan arus listrik.

Beberapa keuntungan dari sistem sel bahan bakar meliputi:

Sel bahan bakar memiliki potensi untuk efisiensi operasi yang tinggi yang

tidak tergantung pada ukuran sistem.

Sel bahan bakar memiliki desain yang scalable.

Banyak jenis sumber bahan bakarpotensial yang tersedia. Selain itu

penggunaannya luas seperti untuk untuk transportasi ataupun sistem daya yang

portable. Hal ini seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Zero Emission.

Tidak memiliki bagian yang bergerak sehingga tidak bising dan tidak bergetar.

Sel bahan bakar menyediakan kemampuan mengisi ulanghampir seketika jika

dibandingkan dengan baterai.

Sedangkan keterbatasan sistem sel bahan bakar adalah sebagai berikut:

Teknologi untuk saat ini masih tergolong mahal dalam pembuatan membran

maupun katalis serta sistem penyimpanan hidrogen.

Perlu adanya sistem reforming untuk bahan bakar yang bukan hidrogen murni.

Penggunaaan hidrogen yang tidak murni akan mengakibatkan penurunan

kualitas Fuel Cell seiring dengan penggunaannya karena elektroda akan

terdegradasi dan elektrolit akan terkontaminasi (Spiegel, 2007).

Gambar 2.2. Jenis-jenis fuel cell dan aplikasinya (European-Commission, 2003)

Fuel Cell memiliki beberapa jenis dengan pembeda antara satu jenis

dengan jenis yang lain adalah elektrolit dan bahan bakar dari fuel cell itu sendiri.

Tabel 2.1 berikut menunjukkan beberapa jenis fuel cell yang sering dijumpai.


commit to user


commit to user

11

Dari bermacam-macam fuel cell tersebut, tiap-tiap fuel cell memiliki efisiensi,

densitas energi dan waktu start up yang berbeda-beda. Untuk efisiensi, selain

dipengaruhi oleh jenis dari fuel cell namun juga bagaimana fuel cell tersebut

digunakan. Fuel cell jenis PEMFC memiliki densitas energi paling tinggi yaitu sekitar

3,8-6,5 kW/m2. Selain itu dibanding dengan jenis fuel cell yang lain, PEMFC

memiliki waktu start up paling tnggi. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2. 2. Perbedaan efisiensi, densitas energi dan waktu start up fuel cell

(Spakovsky, 1999)

Jenis FC Efisiensi listrik (%) Densitas Energi (kW/m2)

Waktu Start Up

SOFC 50-65 (stk), 45-50 (sis), >74 (hib)

1,5-2,6 orde jam

MCFC 50-60 (sis), 55-70 (hib) 0,1-1,5 orde jam PAFC 40-50 (stk), 41 (sis) 0,8-1,9 orde jam

PEMFC 40-55 (stk) 3,8-6,5 orde menit-jam AFC 45-60 (stk) 0,7-8,1 orde menit

DMFC 40 (stk) - -

Keterangan : Stk : Stack

Sis : Sistem

Hib : Hibrid

2.2.2. PEMFC

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) dapat memberikan densitas

daya yang tinggi. Selain itu PEMFC lebih ringan serta memiliki volume yang lebih

kecil dibandingkan dengan sel bahan bakar jenis lain untuk daya output yang sama.

PEMFC menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori

(porous carbon electrodes) yang mengandung katalis platina. PEMFC hanya

membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk sistem operasinya dan

tidak membutuhkan cairan korosif seperti pada sel bahan bakar jenis lain. PEMFC

beroperasi pada sekitar 80°C. Efisiensi PEMFC dapat mencapai 40– 50%, suatu nilai


commit to user

12

yang jauh melampaui efisiensi mesin bakar BBM yang kurang dari 20% (Smith,

1971). Skema dan reaksi dari PEMFC dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.

Untuk reaksi kimia yang terjadi di PEMFC adalah sebagai berikut :

Anoda : 4H+ + 4e- + O2 2O (2.1)

Katoda : 2H2 + + 4e- (2.2)

Gambar 2.3. Skema Proton Exchange Membrane (Voight dkk., 2009)

Gambar 2.4. Reaksi pada PEMFC (Voight dkk., 2009)


commit to user

13

2.2.3. Termodinamika Fue l Cel l

Fuel cell akan menghasilkan energi elektrik maksimum jika beroperasi pada

kondisi thermodynamically reversible. Tegangan tertinggi adalah tegangan reversible.

Tegangan keluaran dari fuel cell dapat dinyatakan sebagai berikut.

( ) = (2.3)

Dimana Vrev adalah tegangan reversible (tegngan maksimum fuel cell), sedangkan

Virrev adalah tegangan Irreversible (rugi tegangan). Sedangkan kerja maksimum dari

fuel cell adalah negatif dari energi bebas Gibbs. = (2.4) = = (2.5)

Dimana adalah perubahan entalpi pembentukan dari proses kimia yang terjadi

pada fuel cell dan dapat dinyatakan sebagai berikut. = (2.6)

Kerja dalam bentuk elektrik juga dapat dinyatakan sebagai = (2.7)

Dimana Q adalah muatan listrik dan E adalah perbedaan potensial elektrik. = (2.8)

Dimana n adalah jumlah mol elektron yang dialirkan dan F adalah konstanta Faraday

(96,485 Coulumb/mol elektron). Sehingga = (2.9)

Dimana Er adalah potensial reversible standard.

Hubungan antara tegangan dan temperatur pada kondisi standard (T=25oC)

dan dengan asumsi perubahan enthalpi tidak berubah terhadap temperatur adalah: = = (2.10) = ( 25) (2.11)

Untuk hidrogen-oksigen pada kondisi standard

( ) + ( ) ( ) (2.12)


commit to user

14

Dimana untuk reaksi tersebut pada - 285,8 kJ -

237,3 kJ/mol maka = . /, / = 1,229 (2.13)

Tegangan aktual fuel cell dapat dinyatakan sebagai berikut. = ln / (2.14)

Dimana R adalah konstanta gas ideal sehingga tegangan aktual untuk hidrogen-

oksigen pada kondisi standard adalah = 1,229 , . ln , / = 1,219 V (2.15)

Performa dari hidrogen-oksigen fuel cell dapat dilihat pada Gambar 2.5

(Spiegel, 2007).

Gambar 2.5. Karakteristik performa fuel cell (Spiegel, 2007).

Arus yang dihasilkan oleh fuel cell dapat juga dihitung dengan mengacu pada

laju alir massa reaktan dengan menggunakan rumus di bawah ini = (2.16)

Dimana : = mass flow rate oksigen (kg/s)

v = Elektron Valensi dari oksigen

F = Konstanta Faraday (9,6485 x 107 C/kmol-electrons)


commit to user

15

M = berat molekul oksigen (kg/kmol)

Dari persamaan di atas jelas terlihat bahwa arus yang dihasilkan oleh fuel cell

berbanding lurus dengan mass flow rate oksigen.

Selanjutnya untuk mendapatkan kurva karakteristik I-P terlebih dulu

menghitung daya yang dihasilkan fuel cell. Persamaan yang digunakan adalah

sebagai berikut. = . (2.17)

Dimana P = daya (watt) V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)

Selain itu dapat juga dihitung efisiensi enegi dari fuel cell. Persamaan untuk

menghitung efisiensi fuel cell adalah sebagai berikut.

= (2.18) = (2.19)

Dimana V = tegangan (V)

I = Arus (A)

VH2 = Debit H2 (m3/s)

Hl = LHV dari hidrogen (10,8 x 106 J/m3) (Larminie dkk.,

2003)

Nilai kalor (heating value) dari suatu bahan bakar adalah suatu nilai positif

yang sama dengan besarnya entalpi pembakaran. Entalpi pembakaran didefinisikan

sebagai selisih antara entalpi dari produk hasil pembakaran dan entalpi reaktan ketika

pembakaran sempurna terjadi pada tekanan dan temperature konstan.

Ada dua nilai kalor yang dikenal melalui istilahnya yaitu nilai kalor atas

(higher heating value-HHV) dan nilai kalor bawah (lower heating value-LHV). Nilai

kalor atas diperoleh ketika semua air yang terbentuk oleh pembakaran berbentuk cair,

sedangkan nilai kalor bawah diperoleh ketika air yang terbentuk oleh pembakaran

berbentuk uap. Nilai kalor atas melebihi nilai pkalor bawah sebesar jumlah energi yang


commit to user

16

dibutuhkan untuk menguapkan cairan yang terbentuk. Nilai untuk HHV dan LHV juga

tergantung dari apakah bahan bakar berupa cairan atau gas (Moran dkk., 2004).

2.2.4. Teori Tentang Co mp u ta ti onal Fl ui d Dyn am ic (CFD)

FLUENT-GAMBIT

Secara definisi, Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah ilmu yang

mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan

fenomena lainnya dengan menyelesaikan parsamaan-persamaan matematika (model

matematika) (Tuakia, 2008). Computational Fluid Dynamic (CFD) memiliki tiga

proses umum yang mendasari ilmu ini. Proses tersebut adalah Pre-processing,

Solving dan Post-processing. Pre-processing adalah proses identifikasi masalah.

Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam proses ini adalah boundary condition,

masalah yang akan diselesaikan dan geometri (mesh). Hal lain yang perlu

diperhatikan pada tahap ini adalah hal-hal yang akan dicapai dalam pemodelan CFD

dan kemampuan solver. Proses selanjutnya adalah Solving. Proses ini sering disebut

sebagai black box-nya CFD. Solving dalah proses dimana user memasukkan

parameter-parameter seperti boundary condition, mengatur under relaxation factor,

serta perhitungan numerik (iterasi). Proses terakhir adalah post-processsing yang

merupakan proses analisa hasil dari solver.

Perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat memberi

kemampuan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan

massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan

struktur, dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak

ini bisa digunakan untuk membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang

ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan sehingga mampu

meminimalkan waktu dan biaya yang dibutuhkan dibandingkan dengan melakukan

pengujian konvensional. FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang

menggunakan metode elemen hingga yang mampu menyediakan fleksibilitas mesh

yang lengkap sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid)

yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah (Tuakia, 2008).


commit to user

17

2.2.5. Prosedur Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT

(Geom et ry an d Mesh Bu il ding In te lligen t To olki t)

Gambar 2.6. Prosedur Pemodelan FLUENT-GAMBIT.

Agar dapat memodelkan dan mensimulasikan dengan menggunakan FLUENT,

geometri dari model harus terlebih dulu dibuat dan berbagai parameter simulasi harus

terlebih dulu ditentukan. GAMBIT digunakan untuk keperluan tersebut. GAMBIT

berfungsi untuk membuat model geometri, membuat mesh dan menentukan boundary

condition yang digunakan pada model untuk analisis CFD. Prosedur pemodelan

menggunakan FLUENT-GAMBIT bisa dilihat lebih jelas dalam Gambar 2.6.

Kualitas mesh dari geometri yang dibuat di GAMBIT penting untuk diperiksa

terlebih dahulu sebelum di-export. Kualitas mesh ini akan mempengaruhi hasil iterasi

yang dilekukan FLUENT. Parameter kualitas mesh yang sering dipermasalahkan oleh

FLUENT yaitu aspect ratio dan equisize skew.


commit to user

18

Aspect ratio

Mesh yang baik memiliki aspect ratio 5. Aspect ratio didefinisikan sebagai

berikut.

= (2.20)

EquiAngle Skew

Didefinisikan sebagai = , (2.21)

max min adalah maksimum dan minimum diantara dua sisi yang

berhubungan pada suatu elemen mesh. Sedangkan eq adalah sudut karakteristik dari

elemen. Bentuk elemen persegi memiliki sudut karakteristik 90o dan bentuk elemen

segitiga memiliki sudut karakteristik 60o. Kualitas dari parameter ini dapat dilihat

pada Tabel 2.3.

Tabel 2. 3. Kriteria Kualitas Mesh berdasarkan equiangle skew.

QEAS Quality

QEAS = 0 Equilateral (Perfect)

0 < QEAS Excellent

0.25 < QEAS Good

0.5 < QEAS Fair

0.75 < QEAS Poor

0.9 < QEAS Very poor (sliver)

QEAS = 1 Degenerate

EquiSize Skew

Didefinisikan sebagai = (2.22)

b

a


commit to user

19

Dimana S adalah luasan (2D) atau volume (3D) dari sebuah elemen mesh. Sedangkan

Seq adalah maksimum luasan (2D) atau volume (3D). Mesh dikatakan baik jika

memenuhi batas equisize skew sebagai berikut. 0 1 (2.23)

2.2.6. Pemodelan dengan FL UENT

FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode

volume hingga. FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga

dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur

sekalipun dengan cara yang relatif mudah.

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan ketika akan menyelesaikan

permasalahan dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

1. Menentukan tujuan pemodelan.

2. Pemilihan model komputasi.

3. Pemilihan model fisik.

4. Penentuan prosedur.

Permasalahan aliran fluida akan diselesaikan secara numerik dengan

menggunakan FLUENT. Dasarnya meliputi penentuan konvergensi, sehingga

solusinya akurat untuk semua jangkauan dari variabel aliran. Penjelasan tentang

parameter konvergen dan akurat tersebut adalah sebagai berikut :

Konvergen, berarti parameter aliran pada batas-batas aliran yang ada sudah

mendekati nilai kondisi batas yang ditetapkan sebelumnya. Skala konvergensi

pada FLUENT diterjemahkan dalam bentuk residual. Default nilai residual

maksimum pada FLUENT adalah 0,001 (kecuali untuk energi yaitu 10-6).

Nilai residual dapat diubah oleh pengguna. Semakin kecil nilai residual, maka

model aliran akan semakin mendekati keadaan sebenarnya. Akan tetapi

jumlah iterasi yang diperlukan juga semakin banyak.

Akurat, adalah properti dari metode numerik untuk menghasilkan solusi yang

mendekati solusi eksak (eksperimen).


commit to user

20

FLUENT sendiri menyediakan pemodelan khusus untuk fuel cell dalam menu

add-on. FLUENT menyediakan dua jenis pemodelan untuk fuel cell yaitu SOFC dan

PEMFC. Terdapat beberapa persamaan yang mendasari pemodelan ini yaitu :

Persamaan Kekekalan Massa ( ) + . ( ) = (2.24)

Persamaan Kekekalan Momentum ( ) + . ( ) = + + ( ) + (2.25)

Persamaan Kekekalan Energi + . = . + (2.26)

Conservation of Species ( ) + . ( ) = + = (2.27)

Conservation of Charge = (2.28)


commit to user 21

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Pengujian

Pengujian dilakukan di Laboratorium Biofuel and Advance Energy Teknik

Mesin UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA.

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan

a) Satu set fuel cell dan electrolyzer seperti terlihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3. 1 Satu set Junior basic J101 (Voight dkk., 2009)

Gambar 3.2. PEM Fuel Cell (Voight dkk., 2009).


commit to user

22

Gambar 3.2 adalah gambar dari fuel cell yang digunakan yang merupakan

produk dari H-Tec dengan tipe PEMFC . Fuel cell ini memiliki luas penampang aktif

4 cm2. PEMFC memiliki Operasi kerja pada tekanan atmosfer dan temperatur

lingkungan. Fuel cell jenis ini menghasilkan daya maksimum 500 mW dan bekerja

pada tegangan 0,40-0,96 V.

Gambar 3.3. PEM Electrolyzer (Voight dkk., 2009).

Electrolyzer (Gambar 3.3) digunakan untuk memisahkan antara H2 dan O2 dari

air. Elektrolizer memerlukan energi listrik. Arus listrik yang dibutuhkan adalah arus

listrik searah. Dalam penelitian ini sumber daya (listrik DC) didapat dari konversi

energi cahaya menjadi listrik melalui solar cell.

Gambar 3.4. Proses Elektrolisis (Voight dkk., 2009).

Elektrolizer ini memiliki luas penampang 4 cm2 dengan daya 1,16 W.

Tegangan yang diijinkan adalah 0-2 V. Sedangkan arus yang diijinkan adalah 0-2 A.


commit to user

23

Elektrolizer ini dapat menghasilkan hidrogen dengan debit 5 cm3/menit dan oksigen

dengan debit 2,5 cm3/menit. Prinsip kerja dari elekrolizer sendiri dapat dijelaskan

pada Gambar 3.4.

b) Gas Storage

Gambar 3.5. Gas Storage kapasitas 30 ml (Voight dkk., 2009).

Gas storage digunakan untuk menampung gas hasil elektrolisis. Seperti yang

terlihat pada Gambar 3.5 gas storage ini memiliki kapasitas 30 ml dan memiliki skala

volume dengan urutan dari bawah ke atas semakin kecil. Hal ini digunakan untuk

mengetahui gas yang tersisa di dalamnya.

c) Solar Module.

Gambar 3.6. Solar Module (Voight dkk., 2009).

Solar module (Gambar 3.6) digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi

listrik pada saat elektrolisisdengan cara mengkonversi energi cahaya menjadi energi

listrik.


commit to user

24

d) Variable resistor (Gambar 3.7) digunakan untuk mengatur arus dan tegangan

keluaran dari fuel cell. Resistor ini dapat diatur nilai hambatannya.

e) Multimeter yang digunakan untuk mengetahui arus dan tegangan yang dihasilkan

oleh fuel cell. Multimeter yang dipakai memiliki spesifikasi sebagai berikut.

Tabel 3. 1. Spesifikasi multimeter.

KRISBOW KW0600271 HELES UX-838TR

Tegangan DC Tegangan DC

Jangkauan Resolusi Akurasi Jangkauan Resolusi Akurasi

200 mV 100 µV ± 0,5% dari pemb. ± 2D 200 mV 100 µV ± 0,5% dari pemb. ± 2D

2000 mV 1 mV ± 0,5% dari pemb. ± 2D 2 V 1 mV ± 0,5% dari pemb. ± 2D

20 V 10 mV ± 0,5% dari pemb. ± 2D 20 V 10 mV ± 0,5% dari pemb. ± 2D

200 V 100 mV ± 0,5% dari pemb. ± 2D 200 V 100 mV ± 0,8% dari pemb. ± 2D

600 V 1 V ± 0,8% dari pemb. ± 2D 600 V 1 V ± 0,8% dari pemb. ± 2D

Arus DC Arus DC


200 µA 100 nA ± 1% dari pemb. ± 2D 200 µA 100 nA ± 1% dari pemb. ± 2D

2000 µA 1 µA ± 1% dari pemb. ± 2D 2000 µA 1 µA ± 1% dari pemb. ± 2D

20 mA 10 µA ± 1% dari pemb. ± 2D 20 mA 10 µA ± 1% dari pemb. ± 2D

200 mA 100 µA ± 1,2% dari pemb. ± 2D 200 mA 100 µA ± 1,5% dari pemb. ± 2D

10 A 10 mA ± 2% dari pemb. ± 2D 2a 1 mA ± 3% dari pemb. ± 2D

10 A 10 mA ± 3% dari pemb. ± 2D

Resistansi Resistansi


200 Ohm 100 mOhm ± 0,8% dari pemb. ± 2D 20 Ohm 10 mOhm ± 3% dari pemb. ± 2D

2000 Ohm 1 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D 200 Ohm 100 mOhm ± 0,8% dari pemb. ± 2D

20 kOhm 10 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D 2000 Ohm 1 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D

200 kOhm 100 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D 20 kOhm 10 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D

2000 kOhm 1 kOhm ± 1% dari pemb. ± 2D 200 kOhm 100 Ohm ± 0,8% dari pemb. ± 2D

2000 kOhm 1 kOhm ± 1% dari pemb. ± 2D

20 Mohm 10 kOhm ± 1,5% dari pemb. ± 2D


commit to user

25

f) Satu buah stopwatch yang digunakan untuk merekam waktu selama pengujian.

Gambar 3.7. Resistor, Multimeter, Stopwatch.

g) H2O (aquadest) untuk bahan baku H2 dan O2.

h) Software CFD FLUENT 6.3.26 dan GAMBIT 2.4.6 beserta komputer.

3.3. S o la r -H yd rog en E nerg y

Solar dan hydrogen adalah contoh dari sumber energi terbarukan yang ramah

lingkungan. Seperti pada Gambar 3.8 keduanya dapat digunakan secara bersamaan

mengingat terdapat kekurangan dan kelebihan dari masing-masing sumber energi

yang dapat saling menutupi. Solar cell dapat bekerja (menghasilkan listrik) jika ada

sumber cahaya yaitu matahari. Fuel cell merupakan alat konversi energi yang

mengubah energi kimia dari hidrogen menjadi energi listrik. Hidrogen sendiri dapat

dihasilkan dari proses elektrolisis dimana proses ini memerlukan sumber listrik DC.

Kondisi ini memberikan ide baru untuk memproduksi hidrogen dari air melalui proses

elektrolisis dengan menggunakan listrik yang dihasilkan solar module.

Hal lain yang menjadi pertimbangan adalah solar energy tidak dapat bekerja

pada malam hari dan terbatas pada ruang dan waktu. Fuel cell memiliki penggunaan

yang luas seperti sumber daya portable dan transportasi sehingga akan lebih mudah

pengaplikasiannya. Jika listrik dari solar moduel langsung dipakai maka

pengaplikasiannya akan sangat sempit mengingat solar module harus selalu terpapar

sinar matahari.


commit to user

26

Gambar 3.8. Solar-Hydrogen Cycle (Voight dkk., 2009)

Prinsip inilah yang menjadi dasar penelitian ini. Namun dalam penelitian ini

dititikberatkan pada penggunaan fuel cell sebagai alat untuk mengubah energi kimia

menjadi listrik.

Solar modul dipaparkan cahaya sehingga dapat menghasilkan listrik searah.

Energi listrik ini kemudian digunakan untuk mengelektrolisis air. Hasil dari

elektrolisis berupa hidrogen dan oksigen. Daya tampung dari gas storage adalah 30

ml. maka proses elektrolisis dihentikan jika gas storage sudah penuh. Proses

selanjutnya yaitu pengkonversian energi kimia yang terkandung pada hidrogen dan

oksigen menjadi energi elektrolisis dengan menggunakan fuel cell. Fuel cell yang

telah terhubung dengan gas storage diberi beban sehingga akan timbul arus listrik.

Beban dapat berupa kipas yang tersedia pada Set J101 atau resistor. Penelitian ini

menggunakan variasi resistor 0, , , , ,

1 k dan 1 M .

3.4. Uji Karakteristik Arus-Teganga n dan Arus-Daya Fue l C ell .

a. Experimental

Dalam uji karakteristik fuel cell manggunakan alat ukur arus dan tegangan

serta stopwatch. Variasi hambatan yang digunakan adalah , ,

3, , 1 k dan 1 M . Besarnya hambatan berpengaruh


commit to user

27

pada tegangan dan arus yang dihasilkan fuel cell sehingga dengan hambatan yang

berbeda akan dihasilkan arus dan tegangan yang berbeda-beda pada tiap variasi

hambatan. Pengambilan data dilakukan setelah 20 detik untuk tiap-tiap hambatan

untuk mendapatkan data yang valid (kondisi fuel cell steady). Data yang diambil

adalah waktu, hidrogen yang terpakai, tegangan dan arus. Data yang didapat

kemudian dibuat grafik I-V dan I-P.

b. Simulasi

Simulasi Fuel cell memerlukan data-data kondisi kerja dan dimensi fuel cell

itu sendiri. Data ini bisa didapatkan pada saat uji eksperimen. Data yang harus ada

adalah temperatur, tekanan, geometri, flow rate hidrogen dan oksigen serta dimensi

dari fuel cell.

Variasi yang dilakukan adalah memvariasikan tegangan yang dihasilkan oleh

fuel cell. Data tegangan yang dihasilkan oleh fuel cell ini didapat dari uji eksperimen.

Data arus yang dihasilkan dari fuel cell akan didapat setelah proses simulasi selesai.

Karakteristik I-V dan I-P dari simulasi fuel cell dibuat dari data tersebut.

3.5. Variasi Pengujian

Variasi yang dilakukan dalam uji eksperimen adalah dengan memvariasikan

besarnya hambatan. Data yang diambil adalah tegangan dan arus dari fuel cell,

banyaknya hidrogen dan oksigen yang terpakai, dan lama pengujian. Hambatan

divariasikan dari 0,33 sampai 1 M . Pengambilan data dilakukan selama fluktuasi

tegangan dan arus tidak tinggi.


commit to user

28

3.6. Skema penelit ian

Skema penelitian ini dapat dilihat pada gambar Gambar 3.9 dan Gambar 3.10.

Gambar 3.9. Skema penelitian pemodelan Fuel cell.

Gambar 3.10. Skema pengambilan data eksperimen.


commit to user

29

3.7. Tahap Peneli tian

Tahap penelitian uji eksperimen dan simulasi CFD fuel cell J101 dapat dilihat

pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11. Tahap penelitian pemodelan Fuel Cell


commit to user

30

3.8. Prosedur Percobaa n (Ex per im e nt)

a. Menyiapkan alat dan bahan.

Fuel cell, electrolyzer, gas storage, Decade resistor, Stopwatch, multimeter,

dan H2O.

b. Merangkai peralatan sesuai dengan gambar.

c. Memasukkan air ke dalam gas storage dengan sebelumnya menutup outlet

dari fuel cell.

d. Mengaktifkan electrolyzer dengan cara memaparkan cahaya ke solar cell.

e. Setelah volume tampungan gas penuh, menghubungkan beban ke fuel cell

untuk mengaktifkan fuel cell.

f. Mengatur hambatan.

g. Menyalakan stopwatch untuk mencatat waktu.

h. Setiap perubahan volume 1 menit (lamanya selang waktu pengambilan data

tergantung besar kecilnya fluktuasi data tegangan dan arus) membaca volume

hidrogen dan oksigen yang terpakai, tegangan dan arus keluaran.

i. Mencatat hasil tersebut.

j. Mengulangi langkah a-i untuk variasi hambatan yang lain.

k. Mencatat hasilnya dan membuat grafik karakteristik I-V dan I-P.

3.9. Pemodelan dengan GA MB IT-FLUE NT

Membuat Geometri Dengan Gambit

Membuat dan meshing geometri dengan menggunakan software GAMBIT

2.4.6 seperti gambar di bawah ini.


commit to user

31

Gambar 3.12. Grid dan mesh fuel cell

Gambar 3.12 merupakan grid dan mesh untuk pemodelan fuel cell. Boundary

condition dan continuum ditentukan setelah geometri di beri mesh kemudian file di-

export ke file dengan format *.msh agar bisa dibaca pada software Fluent 6.3.26.

Boundary condition dan continuum yang dimaksud adalah seperti padaTabel

3.2 danTabel 3.3.

Tabel 3.2. Boundary type untuk pemodelan fuel cell.

Zone Boundary Type

Anode-side inlet mass flow inlet cathode-side inlet mass flow inlet anode-side outlet pressure outlet

cathode-side outlet pressure outlet anodee terminal wall cathode terminal wall

anode-side flow channel walls wall cathode-side flow channel walls wall

fuel cell end wall


commit to user

32

Zone Boundary Type

anode-side diffusion layer walls wall cathode-side diffusion layer walls wall

dinding wall

Tabel 3.3. Continuum type untuk pemodelan fuel cell.

Zone Continuum

anode-side catalyst layer fluid cathode side catalyst layer fluid anode side flow channel fluid

cathode side flow channel fluid anode side gas diffusion layer fluid cathode side diffusion layer fluid

electrolyte membrane fluid anode current collector solid

cathode current collector solid

Simulasi dengan FLUENT

a. Membuka file yang telah di-export dari Gambit dengan langkah

File> Read > case > *.msh

b. Mengecek grid dari geometri.

Grid > Check

(volume harus positif )

c. Menentukan model dari simulasi (PEMFC).

d. Memasukkan parameter PEMFC.

e. Memasukkan parameter boundary condition .

f. Memasukkan parameter-parameter control solution.

g. Initialize.

h. Iterasi.

i. Post processing.


commit to user 33

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Hasil percobaan/eksperimen dan simulasi CFD unit fuel cell J101 akan

dianalisa pada bab ini. Uji eksperimen dilakukan dengan variasi hambatan 0,3 ohm

sampai 1 Mohm. Data yang didapat berupa temperatur, arus, tegangan dan laju alir

massa dari hidrogen dan oksigen. Data hasil eksperimen ini selanjutnya digunakan

untuk dasar simulasi CFD dari unit fuel cell J101.

4.1. Eksperimen Unit Fuel Cell J101

Fuel cell bekerja dengan dua reaktan yaitu hidrogen dan oksigen. Kedua

reaktan tersebut dapat diperoleh dengan proses elektrolisis aquadest. Unit fuel cell

J101 menyediakan electrolizer dengan sumber energi berasal dari solar cell.

Pengambilan data eksperimen fuel cell J101 dapat dilakukan setelah didapat gas

hidrogen dan oksigen. Data yang diambil adalah tegangan dan arus keluaran fuel cell.

Pengambilan data arus dan tegangan mengguanakan multimeter. Hasil dari

eksperimen dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut.

Tabel 4. 1. Data hasil percobaan fuel cell J101.

Hambatan (Ohm)

Mass Flow Rate of

H (kg/s)

Mass Flow Rate of

O (kg/s)

Rata-rata Tegangan

(mV) Arus (mA)

Temperatur (K)

0,33 1,91E-08 1,27E-07 416,75 1335,00 303 1 7,69E-09 7,38E-08 595,00 611,43 303

3,3 2,00E-09 1,27E-08 758,33 160,0 303 10 5,61E-10 3,82E-09 787,62 55,48 303 33 4,48E-10 3,06E-09 789,73 20,98 303

100 2,64E-10 1,65E-09 834,55 7,89 303 333 1,60E-10 1,02E-09 853,85 2,45 303 996 1,21E-10 9,55E-10 872,00 0,85 303

Tegangan open circuit dari fuel cell J101 adalah 0,97 V. Pada kondisi open circuit

(sirkuit terbuka/tanpa beban) arus yang dihasilkan adalah 0 A. Selanjutnya, dari data


commit to user

34

tersebut dapat dibuat kurva karakteristik Arus-Tegangan (I-V) pada Gambar 4.1 dan

kurva Arus-Daya (I-P) pada Gambar 4.2 dari fuel cell J101.

Gambar 4.1. Kurva karakteristik arus-tegangan (I-V).

Gambar 4.1 menunjukkan tegangan maksimum dari fuel cell adalah 0,97 Volt,

padahal secara teoritis tegangan dari fuel cell dengan hidrogen dan oksigen sebagai

reaktannya dapat mencapai 1,2 Volt. Kurva karakteristik arus-tegangan dari fuel cell

J101 memiliki karakteristik semakin kekanan (arus semakin besar) tegangan semakin

rendah. Hal ini disebabkan oleh rugi-rugi (polarization). Rugi-rugi tegangan yang ada

pada fuel cell terdiri dari tiga jenis yaitu rugi-rugi aktivasi, rugi-rugi ohmic, dan rugi-

rugi konsentrasi. Daya puncak dari fuel cell jenis HTec J101 adalah sekitar 556 mW

sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Efisiensi energi dari fuel cell dapat dihitung menggunakan persamaan 2.19. =

Dimana V = tegangan

I = Arus

VH2 = Debit H2

Hl = LHV dari hydrogen (10,8 x 106 J/m3) (Larminie dkk.,

2003)

0

0,1

0,20,3

0,4

0,50,6

0,7

0,8

0,9

1

0 500 1000 1500

Tega

ngan

(V

)

Arus (mA)


commit to user

35

Efisiensi energy pada variasi hambatan 0,33 adalah = ,, , 1,335 = 0,216 = 21,6 %

Efisiensi fuel cell di semua variasi arus dapat dilihat pada Tabel 4.2. Efisiensi energi

tertinggi adalah 57,8% pada arus 55,48 mA dan daya 43,69 mWatt.

Tabel 4. 2. Efisiensi Fuel Cell J101.

Debit H2 (ml/s)

Debit O2 (ml/s)

Rata-rata Energy Efficiency Tegangan (mV) Arus (mA)

0,2390 0,1 416,75 1335 21,6% 0,0960 0,058 595,00 611,43 35,1% 0,0250 0,0100 758,33 160 44,9% 0,0070 0,0030 787,62 55,48 57,8% 0,0056 0,0024 789,73 20,98 27,4% 0,0033 0,0013 834,55 7,89 18,5% 0,0020 0,0008 853,85 2,45 9,7%

0,001517 0,00075 872,00 0,85 4,5%

Gambar 4.2. Kurva karakteristik Arus- Daya (I-P) dan efisiensi fuel cell J101

(eksperimen).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500

Efis

iens

i

Day

a (m

W)

Arus (mA)

Daya

Efisiensi


commit to user

36

Semakin tinggi arus yang dihasilkan, semakin tinggi juga konsumsi oksigen

maupun hidrogen sehingga reaksi dalam fuel cell akan menghasilkan uap air yang

semakin banyak. Fenomena ini dapat dilihat pada gambar 4.3. Uap air yang

terkondensasi pada variasi hambatan 0,3 Ohm (arus tinggi) lebih banyak dibanding

dengan variasi hambatan 100 ohm (arus rendah).

Gambar 4.3. H2O yang terbentuk pada variasi hambatan 0,3 Ohm dan 100 Ohm.

Banyaknya H2O yang terbentuk pada saluran/channel menjadi hambatan pada

reaksi yang terjadi di fuel cell. Uap yang terkondensasi mengakibatkan luas

penampang membran aktif berkurang sehingga arus dan tegangan pada variasi dengan

arus tinggi (hambatan kecil) lebih cepat turun.

4.2. Simulasi CFD Fuel Cell J101

Simulasi yang dilakukan terdiri dari dua tahap yaitu pembuatan geometri

menggunakan softrware GAMBIT 2.4.6 dan simulasi mengguakan software

FLUENT6.3.26.. Nilai-nilai yang dimasukkan seperti dimensi, temperatur kerja, mass

flow rate oksigen dan hidrogen adalah nilai yang didapat dari eksperimen. Nilai dari

laju alir massa hidrogen dan oksigen nantinya dimasukkan pada boundary condition,

begitu juga dengan nilai tegangan dan temperatur. Sedangkan nilai arus nantinya

sebagai pembanding antara hasil eksperimen dan simulasi. Langkah pertama yang

dilakukan dalam simulasi CFD adalah membuat geometri dari fuel cell. Pembuatan

geometri menggunakan software GAMBIT 2.4.6. Dasar dari geometri tersebut dapat

Variasi hambatan 0,3 Ohm


commit to user

37

dilihat dalam Gambar 4.4 dan parameter-parameter dalam membuat geometri untuk

simulasi dari fuel cell J101 dapat dilihat pada Tabel 4.3.

Gambar 4.4. Tampak depan dari skema model geometri fuel cell.

Tabel 4. 3. Parameter untuk membuat geometri pemodelan fuel cell.

Geometri dibuat dengan menggunakan software GAMBIT 2.4.6 dan

berdasarkan pada parameter di atas. Gambar 4.5 adalah mesh dan grid dari fuel cell

J101. Tipe mesh yang dipakai adalah Quadrilateral dengan jumlah elemen mesh

316.800 elemen.

Parameter nilai

luas membran (m2) 0,004 tinggi channel (m) 0,001 lebar channel (m) 0,0015 panjang channel (m) 0,072 tebal membran (m) 0,000036 tebal katalis (m) 0,000012 tebal gas diffusion layer (m) 0,00021


commit to user

38

Gambar 4.5. Mesh dan grid fuel cell J101.

Langkah selanjutnya yang dilakukan adalah simulasi dengan FLUENT

6.3.26. Data-data yang dibutuhkan untuk simulasi ini berasal dari uji eksperimen.

Tipe boundary condition dan continuum disesuaikan dengan Tabel 3.2 dan Tabel

3.3. Data hasil eksperimen yang digunakan untuk input pemodelan adalah

geometi, temperatur, laju alir massa reaktan, dan tegangan fuel cell. Data-data

tersebut dimasukkan pada boundary condition. Hasil simulasi FLUENT dari fuel

cell J101 dapat dilihat pada Tabel 4.4. Kurva karakteristik I-V dan I-P antara hasil

eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Gambar 4.6 dan Gambar 4.7.


commit to user

39

Tabel 4. 4. Data hasil simulasi fuel cell J101.

R (Ohm) V (Volt) Simulasi I (mAmpere)

0.33 0.417 1542.9 1 0.595 736.31

3.33 0.758 105.46 10 0.788 44.11

33.3 0.790 36 100 0.835 16.6 333 0.854 9.56 997 0.872 7.37

Gambar 4.6. Perbandingan kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) eksperimen

dengan simulasi fuel cell J101.

Gambar 4.7 memperlihatkan bahwa hasil simulasi dan eksperimen

menunjukkan hasil yang mendekati, namun tidak sepenuhnya sama. Tabel 4.5.

memperlihatkan rata-rata error sebesar 4,9%.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 500 1000 1500 2000

Tega

ngan

(V

olt)

Arus (mA)

eksperimen h-tec

eksperimen

Simulasi


commit to user

40

Gambar 4.7. Perbandingan kurva arus-daya (I-P) hasil eksperimen dan simulasi fuel

cell J101

Tabel 4.5. Perbandingan data eksperimen dengan simulasi.

Arus (mAmpere)

Daya (mWatt) Error Eksperimen Simulasi

0 0 0 0,0% 100 75 75 0,0% 200 135 145 7,4% 300 190 195 2,6% 400 250 245 2,0% 500 305 305 0,0% 600 355 360 1,4% 700 385 415 7,8% 800 415 455 9,6% 900 440 480 9,1%

1000 465 505 8,6% 1100 495 530 7,1% 1200 520 555 6,7% 1335 556 590 6,1%

Rata-rata 4,9%

0

100

200

300

400

500

600

700

0 500 1000 1500 2000

Day

a (m

Wat

t)

Arus (mA)

Eksperimen

Simulasi


commit to user

41

Perbedaan antara hasil eksperimen dan simulasi dapat disebabkan karena

adanya internal current. Internal current disebabkan oleh adanya bahan bakar yang

melewati membran. Membran seharusnya hanya melewatkan ion + dari hidrogen,

namun tetap dimungkinkan bahan bakar yang terdiri dai ion dan electron melewati

membran ini, sehingga dengan lewatnya bahan bakar langsung melalui membran,

bahan bakar akan bereaksi tanpa menghasilkan arus.

Tabel 4.5 juga menunjukkan hasil dimana daya hasil simulasi relatif lebih

besar dibandingkan dengan daya hasil eksperimen. Simulasi yang dibuat dengan sifat

se-ideal mungkin (dengan asumsi) dapat menyebabkan perbedaan ini. Hasil simulasi

tidak memperlihatkan efek dari fenomena fisik seperti timbulnya gelembung air yang

dapat menurunkan arus serta daya dari fuel cell yang berpengaruh terhadap daya yang

dihasilkan oleh fuel cell.

Hasil simulasi dapat menunjukkan pressure drop yang terjadi pada channel

baik di katoda maupun di anoda sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan

Gambar 4.9.

.

Gambar 4. 8. Perbandingan penurunan tekanan pada anoda dan katoda (posisi

0,0727 untuk Outlet dan posisi 0 untuk Inlet).

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 0,02 0,04 0,06 0,08

Teka

nan

(Pa)

Posisi (m)

Anoda

Katoda


commit to user

42

Gambar 4.9. Kontur tekanan (Pa) dalam anoda dan katoda.

Gambar 4.8 dan Gambar 4.9 memperlihatkan bahwa penurunan tekanan di

katoda lebih besar dibanding dengan penurunan tekanan di anoda. Perbedaan

penurunan tekanan ini disebabkan karena laju alir massa di katoda lebih besar

daripada di anoda. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa debit hidrogen (anoda)

lebih besar dari debit oksigen (katoda), namun massa jenis dari oksigen lebih besar

dibanding dengan hidrogen sehingga laju alir massa di katoda lebih besar dari laju alir

massa di anoda.

Hasil penelitian sebelumnya yang meneliti tentang simulasi CFD fuel cell

dengan parallel flow channel menunjukkan hal yang sama yaitu terjadi perbedaan

penurunan tekanan pada channel anoda dan katoda. Channel katoda akan memiliki

penurunan tekanan lebih besar dibandingkan dengan channel anoda. Tingginya

penurunan tekanan pada sisi katoda dibanding dengan anoda disebabkan karena lebih

tingginya mass flow rate oksigen di katoda (Lee dkk., 2008). Penurunan tekanan akan

berpengaruh pada proses diffusi bahan bakar dari channel ke gas diffusion layer dan

katalis. Jika penurunan tekanannya terlalu besar, maka proses difusi yang terjadi tidak

merata, sehingga arus yang terukur mengalami penurunan dibandingkan dengan

teoritis.


commit to user

43

Gambar 4. 10. Perbandingan fraksi massa H2O terbentuk dengan variasi hambatan

(posisi 0,0727 untuk Outlet dan posisi 0 untuk Inlet).

Gambar 4.11. Kontur fraksi massa H2O pada variasi 0.404 volt dan 0.792 volt.

Fenomena yang terjadi pada saat eksperimen dapat juga dilihat dengan

menggunakan simulasi. Fenomena tersebut yaitu perbedaan uap air yang terbentuk

antara variasi hambatan besar dengan variasi hambatan kecil. Perbedaan tersebut

dapat dilihat pada Gambar 4.10. dan Gambar 4.11. Fraksi massa H2O yang terbentuk

pada variasi hambatan 0,3 (tegangan kecil) relatif lebih tinggi dibanding dengan

fraksi massa yang terbentuk pada variasi hambatan 33,3 (tegangan besar).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08Posisi (m)

Hambatan 0.3 Ohm

0,3 Ohm

33,3 Ohm


commit to user

44

4.3. Parameter yang Berpengaruh pada Performa Fuel Cell.

a. Temperatur

Melalui simulasi CFD dapat diketahui pengaruh temperatur terhadap performa fuel

cell. Variasi temperatur yang digunakan adalah 30°C, 50°C, dan 75°C sebagaimana

dapat dilihat pada Tabel 4.6. Semakin tinggi temperatur dari fuel cell maka semakin

rendah arus yang dihasilkan. Kenaikan temperatur akan menyebabkan penurunan

reversible voltage dari fuel cell yang berimbas pada penurunan arus yang dihasilkan.

Tabel 4.6. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi temperatur.

Tegangan (Volt) Arus (Ampere)

Variasi temperatur

30°C 50°C 75°C 416,75 1,5429 1,5426 1,5425 595,00 0,7363 0,7306 0,4748 758,33 0,1055 0,1069 0,1029 787,62 0,0441 0,0427 0,0397 799,27 0,0360 0,0351 0,0331 834,55 0,0167 0,0152 0,0131 853,85 0,0096 0,0086 0,0072 872,00 0,0074 0,0064 0,0053 965,62 0,0000 0,0000 0,0000

Dari persamaan Butler-Volmer dapat dilihat bahwa besarnya arus berbanding terbalik

terhadap temperatur fuel cell. = (4.3)

Dimana i = Current density

i0 = Refference current density

= Charge transfer coefficient

F = Konstanta Faraday

act = Overvoltage

R = Konstanta gas ideal

T = Temperatur


commit to user

45

b. Porositas Gas Diffusion Layer

Variasi porositas dari gas diffusion layer yang digunakan dalam simulasi

adalah 0,2, 0,4, 0,6, dan 0,8. Hasil dari simulasi dengan berbagai nilai porositas gas

diffusion layer dapat dilihat pada Tabel 4.7. Data simulasi dengan variasi porositas

gas diffusion layer tidak memperlihatkan adanya pengaruh dari porositas gas

diffusion layer, dimana hal ini berbeda dengan penelitian yang dilakukan Yong Sang

Wey dan Hon Zhu yang menunjukkan peningkatan performa fuel cell seiring dengan

naiknya porositas gas diffusion layer pada tegangan dibawah 0,7 Volt. Hasil dari

penelitian tersebut menunjukkan bahwa porositas gas diffusion layer yang tinggi

dapat menurunkan resistansi difusi gas akibat terdapatnya fasa cair dari H2O yang

terkondensasi. Penelitian menunjukkan adanya pengaruh porositas gas diffusion layer

karena reaktan yang dimasukkan pada chanel anoda maupun katoda bukan H2 dan O2

murni namun terdapat juga fraksi massa H2O (Humidified gas)(Wei dkk., 2011),

sedangkan pada pemodelan fuel cell J101 hanya H2 dan O2 sehingga tidak terdapat

resistansi difusi gas hydrogen akibat fasa cair dari H2O yang terkondensasi.

Tabel 4.7. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas gas diffusion layer.

Tegangan (mVolt) Arus (Ampere)

Variasi Porositas GDL 0.2 0.4 0.6 0.8

416,75 1,5421 1,5422 1,5430 1,5431 595,00 0,73907 0,7369 0,736 0,7357 758,33 0,1054 0,1054 0,1055 0,1054 787,62 0,0442 0,0441 0,0441 0,0440 799,27 0,0361 0,0360 0,0360 0,0360 834,55 0,0168 0,0167 0,0167 0,0166 853,85 0,0094 0,0096 0,0096 0,0095 872,00 0,0074 0,0074 0,0074 0,0073 965,62 0 0 0 0

Gambar 4.12 menunjukkan nilai-nilai fraksi massa H2 sepanjang garis dari

inlet sampai outlet pada permukaan setelah gas diffusion layer. Line tersebut

dibuat untuk membantu melihat H2 yang terdifusi dari channel ke katalis. Tidak


commit to user

46

terdapat perbedaan yang signifikan antara H2 yang terdifusi pada gas diffusion

layer dengan porositas 0,2 sampai porositas 0,8, namun jika dilihat melalui kontur

H2 pada keseluruhan permukaan antara gas diffusion layer dengan katalis dapat

dilihat bahwa terjadi perbedaan persebaran dari gas H2.

Gambar 4.12. Perbandingan fraksi massa H2 pada GDL dengan variasi porositas

GDL (posisi 0,0727 untuk Outlet dan posisi 0 untuk Inlet).

Gambar 4.13. Kontur H2 pada channel anoda dengan variasi porositas gas diffusion

layer.

0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

0,17

0,19

0,21

0,23

0 0,02 0,04 0,06 0,08Posisi (m)

porositas 0.2

Porositas 0.4

porositas 0.6

porositas 0.8


commit to user

47

Gambar 4.13 memperlihatkan bahwa dengan porositas gas diffusion layer yang tinggi

gas H2 terdifusi lebih merata sehingga memungkinkan meningkatkan efektifitas

katalis dan membran dimana perbandingan luas katalis dan membran yang terpakai

dengan luas katalis dan membran total lebih besar .

c. Porositas Katalis

Variasi porositas katalis yang digunakan adalah 0,2, 0,5, dan 0,8. Simulasi

CFD menunjukkan hasil seperti pada Tabel 4.8. Hasilnya tidak terlihat pengaruh

porositas katalis terhadap arus yang dihasilkan fuel cell. Katalis memberi pengaruh

pada proses ionisasi hidrogen menjadi ion H+ dan elektron. Sifat dasar dari katalis

sendiri adalah mempercepat suatu proses reaksi tanpa ikut bereaksi. Hal ini dapat

dilihat pada fraksi H2O yang terbentuk pada awal channel katoda.

Tabel 4.8. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas katalis

Tegangan (Volt) Arus (Ampere)

Variasi porositas katalis 0.2 0.5 0.8

416,75 1,543 1,5429 1,5421 595,00 0,744 0,7363 0,7355 758,33 0,1055 0,1055 0,1055 787,62 0,0441 0,0441 0,0441 799,27 0,036 0,0360 0,036 834,55 0,0167 0,0167 0,0167 853,85 0,0096 0,0096 0,0096 872,00 0,0074 0,0074 0,0074 965,62 0 0 0


commit to user

48

Gambar 4. 14. Perbandingan fraksi massa H2O terbentuk dengan variasi porositas

katalis (posisi 0,0727 untuk Outlet dan posisi 0 untuk Inlet)

Gambar 4.15. Kontur fraksi massa H2O yang terbentuk.

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

0,0009

0,001

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

Posisi (m)

Porositas Katalis 0.2




commit to user

49

Pengaruh porositas katalis dapat dilihat dari fraksi massa H2O yang terbentuk.

Gambar 4.14 dan Gambar 4.15 menunjukkan bahwa H2O yang terbentuk pada variasi

porositas katalis 0,2 lebih besar jika disbanding dengan variasi porositas katalis 0,5.

H2O yang terbentuk pada variasi porositas katalis 0,8 adalah yang paling sedikit.

Banyaknya H2O yang terbentuk mengindikasikan katalis bekerja dengan baik, dimana

reaksi berjalan dengan baik. Luas permukaan katalis dan banyaknya bahan katalis

(misal Pt) yang ada pada lembaran katalis tersebut memiliki andil dalam menentukan

performa dari katalis berdasarkan porositasnya. Tingginya kecepatan reaksi yang

terjadi memungkinkan untuk meningkatkan mass flow dari H2 dan O2. Semakin besar

mass flow rate dari bahan bakar akan dapat meningkatkan pula performa fuel cell

pada kondisi tegangan yang sama.

Variasi porositas katalis 0,2 menunjukkan hasil yang paling baik, karena

dengan ukuran yang sangat tipis dari katalis itu sendiri maka pengaruh porositas

terhadap perubahan luas permukaan katalis tidak begitu besar. Katalis dengan

porositas 0,2 akan lebih banyak mengandung bahan katalis (nasal Pt) disbanding

dengan katalis dengan porositas 0,8.

4.4. Scale Up

Proses scale up dilakukan dengan memperbesar luas permukaan membran.

Desain yang dibuat memiliki luas permukaan membran dua kali lipat luas permukaan

membran dari fuel cell J101. Luas permukaan total adalah 8 cm2. Seperti yang

dilakukan pada proses simulasi fuel cell J101, pada proses scale up juga dilakukan

pembuatan geometri, mesh dan grid melalui software GAMBIT 2.4.6. Mesh dan grid

yang dibuat untuk fuel cell yang di scale up dapat dilihat pada Gambar 4.16. Sama

seperti dengan mesh untuk pemodelan fuel cell J101, tipe mesh yang dipakai adalah

Quadrilateral namun jumlah elemen lebih banyak yaitu 809.600 elemen.


commit to user

50

Gambar 4.16. Geometri fuel cell dengan luas membran 8 cm2.

Proses selanjutnya adalah melakukan simulasi CFD. Hasilnya adalah kurva

karakteristik I-V dan I-P yang dapat dilihat pada Gambar 4.17 dan Gambar 4.18.

Hasil scale up memperlihatkan bahwa dengan tegangan yang sama dapat diperoleh

arus yang lebih besar. Besarnya arus yang diperoleh sebanding dengan besarnya

pembesaran pada saat proses scale up. Konsekuensinya adalah bahwa besarnya daya

yang diperoleh juga sebanding dengan besarnya pembesaran pada saat proses scale up

sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.18. Daya maksimum yang semula

dihasilkan oleh fuel cell J101 sebesar 0,643 Watt naik menjadi 1,281 Watt.

Pada Gambar 4.18 dapat dilihat bahwa efisiensi tertinggi fuel cell hasil dari

proses scale up adalah 46,29% pada arus 70,896 mA.


commit to user

51

Gambar 4.17. Kurva I-V untuk fuel cell dengan luas membran 8 cm2

Gambar 4.18. Kurva I-P dan efisiensi untuk fuel cell dengan luas membran 8 cm2

0

200

400

600

800

1000

1200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Tega

ngan

(m

V)

Arus (mA)

simulasi Fuel cell J101

simulasi scale up

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1000 2000 3000 4000

efis

iens

i

Day

a (m

W)

Arus (mA)

simulasi Fuel cell J101

simulasi scale up

efisiensi scale up


commit to user 52

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa:

1. Fuel cell J101 memiliki karakteristik arus-tegangan (I-V) bahwa semakin tinggi

arus yang dihasilkan maka tegangan akan semakin rendah, sedangkan karakteristik

arus-daya (I-P) semakin tinggi arus semakin besar juga daya yang dihasilkan.

Besarnya tegangan maksimum dari fuel cell htec J101 adalah 0,97 V dengan daya

puncak sebesar 556 mW.

2. Kurva karakteristik dari fuel cell jenis PEMFC sudah berhasil diuji dan

simulasikan dengan CFD. Hasil karakteristik kurva I-V dan I-P dari simulasi CFD

mendekati dengan hasil dari pengujian eksperimen.

3. Berdasarkan hasil simulasi, porositas katalis dan porositas GDL hanya

berpengaruh kecil pada besarnya arus yang dibangkitkan oleh PEMFC.

Temperatur memiliki pengaruh terhadap performa fuel cell, dimana semakin besar

temperatur menyebabkan turunnya arus yang dihasilkan oleh PEMFC pada

tegangan output yang sama.

4. Simulasi menunjukkan bahwa kapasitas fuel cell dapat ditingkatkan dengan cara

scale up, dimana dengan menambah luas permukaan membran dua kali lipat dapat

meningkatkan daya maksimum fuel cell hingga dua kali lipat.

5.2. Saran

Setelah melakukan penelitian ini, maka dapat disarankan beberapa hal.

1. Penelitian dapat dilanjutkan untuk mempelajari bahan-bahan dan proses

manufaktur GDL dan membran dari fuel cell, sehingga diharapkan dapat dibuat

unit fuel cell di Jurusan Teknik Mesin UNS.

2. Penelitian dapat dilanjutkan pada uji kinerja dari fuel cell dengan sumber gas

hydrogen berupa syngas dari proses gasifikasi, sehingga sumber hidrogen untuk

bahan bakar fuel cell lebih variatif.

studi eksperimen dan simulasi cfd karakteristik arus .../studi... · perpustakaan.uns.ac.id...

Documents