BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

Bab ini berisi kesimpulan dari pengujian yang dilakukan dan saran mengenai penyempurnaan hasil penelitian untuk peneliti berikutnya. BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sel Bahan Bakar

  2.1.1 Pengenalan Sel Bahan Bakar Sel bahan bakar terdiri dari anoda, katoda dan membran elektrolit. Hidrogen

  dioksidasi di anoda dan oksigen direduksi pada katoda. Proton dikirimkan dari anoda ke katoda melalui membran elekrolit. Pada kondisi sebenarnya, molekul tak dapat bertahan pada keadaan ionik, untuk itu molekul segera mengkombinasi ulang dengan molekul lain untuk memperoleh keadaan netralnya. Proton hidrogen pada sel bahan bakar tetap pada keadaan ion dengan menjelajah dari satu molekul ke molekul lain melalui material khusus. Pada katoda, oksigen bereaksi dengan proton dan elektron, membentuk air dan menghasilkan panas. Anoda dan katoda keduanya mengandung katalis untuk mempercepat proses elektrokimia. (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

  2.1.2 Keuntungan dan Kekurangan pada Sel bahan bakar

  Berikut akan dijabarkan keuntungan dalam pemakaian sel bahan bakar yaitu:

• Dapat menghasilkan daya langsung bila fluidanya sudah mengalir. Sehingga energi yang terbuang dapat diperkecil
• Dalam penggunaan sel bahan bakar, tidak ada sama sekali polusi udara yang dihasilkan sehingga mengurangi pemanasan global
• Pada sel bahan bakar, hanyalah fluida yang mengalir didalamnya sehingga tingkat kerusakan peralatan sel bahan bakar dapat menurun
• Sel bahan bakar ini sendiri dapat meningkat efisiensinya bila digunakan sesuai dengan prosedurnya
• Ukurannya yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan alat pembangkit listrik lainnya
• Jenis daripada sel bahan bakar ini juga beragam

  Berikut akan dijabarkan kekurangan dalam pemakaian sel bahan bakar yaitu:

• Material komponen sel bahan bakar ini yang masih tergolong spesifik menyebabkan harganya menjadi melonjak
• Sumber tenaga dari sel bahan bakar perlu diolah dan proses pengolahannya yang juga tergolong mahal ini berakibat pada melonjaknya harga bahan bakarnya
• Sumber bahan bakar yang tidak sesuai dengan komponen sel bahan bakar dapat mengakibatkan penurunan efisiensi pada sel bahan bakar

  Penurunan performa menjadi suatu masalah pada tumpukan sel bahan bakar. Dan dari penelitian Seyyed Mohsen Mousavi Ehteshami bertujuan untuk mengetahui bagaimana dampak dari terserapnya karbon monoksida ke dalam tumpukan sel bahan bakar membran elektrolit polimer. Metode yang digunakan dalam mencapai tujuannya adalah simulasi dengan program CFD. Hasil yang di peroleh dari simulasi yaitu performa akan menurun seiring terserapnya karbon monoksida ke dalam sel bahan bakar. Kesimpulan yang di peroleh bahwa penurunan performa sel bahan bakar sebanding dengan banyaknya karbon monoksida yang terserap dalam sel bahan bakar. (Sumber: Seyyed Mohsen Mousavi Ehteshami, 2010)

2.1.3 Penggunaan Sel bahan bakar

  Dulunya sumber energi amat bergantung terhadap pembakaran bahan bakar fosil yang memiliki beberapa kekurangan seperti polusi, jumlah yang terbatas dan penyebab konflik antar negara. Sel bahan bakardapat memberikan tenaga pada apa saja baik dari rumah, mobil ataupun telepon seluler. (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Berikut penggunaan sel bahan bakarpada beberapa bidang yaitu:

• Sektor portabel Salah satu dari pasar raksasa masa depan untuk sel bahan bakar ialah sektor portabel. Akan ada banyak peralatan portabel yang akan menggunakan sel bahan bakar agar peralatannya dapat bertahan dengan jangka waktu yang lebih lama. Beberapa peralatan ini seperti laptop, telepon seluler, perekam video, ipad, tab, dll. Kemiliteran juga membutuhkan tenaga besar, perangkat yang bertahan lebih lama untuk peralatan tentara. Sel bahan bakar dapat dengan mudah dimanufaktur dengan tenaga yang lebih besar dan lebih ringan untuk kepentingan kemiliteran. Dan keuntungan bagi kemiliteran termasuk kebisingan yang rendah dan temperatur yang juga lebih rendah. Dan berikut gambar 2.1 menunjukkan penggunaan sel bahan bakar pada sektor portabel yaitu:

Gambar 2.1 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Portabel

  (Sumber :

• Sektor transportasi

  Sektor transportasi akan lebih menguntungkan dengan penggunaan sel bahan bakar karena bahan bakar fosil yang terus habis yang akan berdampak pada kenaikan harga bahan bakar fosil. Selain itu, pencegahan polusi juga menjadi salah satu masalah. Ada beberapa negara yang telah menerapkan kebijakan penurunan emisi dan telah menjual transportassi dengan emisi nol. Transportasi dengan sumber tenaga sel bahan bakar memiliki kemampuan untuk menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan transportasi yang ditenagai oleh bahan bakar jenis lainnya. Dan berikut gambar 2.2 menunjukkan penggunaan sel bahan bakar pada sektor transportasi yaitu:

Gambar 2.2 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Transportasi

  (Sumber : http://inhabitat.com/transportation-tuesday-boeing-flies-first-fuel-cell- plane)

• Sektor stasioner

  Stasioner sel bahan bakar yang besar dapat menghasilkan listrik yang cukup umtuk memberi tenaga pada rumah. Sel bahan bakar juga menguntungkan untuk bisnis dan perumahan yang membutuhkan listrik. Generator sel bahan bakar lebih dapat diandalkan dibandingkan generator jenis lainnya. Hal ini dapat menguntungkan perusahaan dengan menghemat uang ketika listrik padam. Dan berikut gambar 2.3 menunjukkan penggunaan sel bahan bakar pada sektor stasioner yaitu:

Gambar 2.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Stasioner

  (Sumber :

2.1.4 Sejarah Sel bahan bakar

  William Grove dinobatkan sebagai orang yang menemukan sel bahan bakar pada tahun 1839. Sel bahan bakar sendiri tidak dikembangkan lebih lanjut pada tahun 1800an dan banyak dilanjutkan pada tahun 1900an. Sel bahan bakar mulai diteliti pada tahun 1960an di NASA. Beberapa dekade terakhir, sel bahan bakar telah dikembangkan secara serius dan akan mendekati komersialisasi.

  Pada tahun 1800, W.Nicholson dan A.Carlisle menemukan proses elektrolisa untuk memecahkan air. Pada tahun 1836, William Grove mendemonstrasikan sel bahan bakar. Pada tahun 1889, beberapa tim yaitu L.Mond dan C.Langer, C.Wright dan C.Thompson, L.Cailleteton dan L.Colardeau menunjukkan beberapa jenis eksperimen sel bahan bakar. Pada tahun 1893, F.Ostwald menjelaskan fungsi dari komponen sel bahan bakar. Pada tahun 1896, W.Jacques mengkonstruksi baterai karbon. Awal 1900an, E.Baur dan muridnya melakukan eksperimen pada temperatur tinggi. Pada tahun 1960an, T.Grubb dan L.Niedrach menemukan teknologi sel bahan bakar PEM (Polymer Electrolyte Membrane). Pada tahun 1990an sampai sekarang, penelitian sel bahan bakar untuk segala tipe sel bahan bakar dilakukan secara luas. (Sumber: Colleen Spiegel,2008)

  Dan bila sejarah tersebut diurutkan secara berurut maka akan seperti gambar 2.4 dibawah ini: Gambar 2. Sejarah Perkembangan Sel bahan bakar

Gambar 2.4 Sejarah Sel Bahan Bakar

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) NASA melakukan riset pada sel bahan bakar PEM (Polymer Electrolyte Membrane) untuk proyek Gemini. Baterai digunakan pada misi proyek Merkuri, tapi proyek Apollo membutuhkan sumber tenaga yang dapat bertahan lebih lama. Sel bahan bakar PEM (Polymer Electrolyte Membrane) pertama memiliki banyak persoalan seperti kontaminasi sel dalam dan kebocoran oksigen melalui membran. Setelah akhirnya didesain ulang maka model barunya dipakai untuk keseluruhan penerbangan Gemini.

  Pada tahun 1970an ditemukan teknologi elektrolisa air pada sel bahan bakar PEM (Polymer Electrolyte Membrane) yang kemudian digunakan sebagai pembangkit tenaga Angkatan Laut Amerika Serikat. Angkatan Laut Inggris juga menggunakan teknologi ini pada awal 1980an untuk kapal selam mereka. Dan beberapa dekade terakhir ini, teknologi ini telah diriset oleh perusahaan komersial untuk transportasi, stasioner dan pembangkit tenaga. (Sumber: Colleen Spiegel,2008)

2.2 Jenis – Jenis Sel bahan bakar

  Sel bahan bakar sampai saat ini sudah memiliki jenis yang membedakannya. Dan pada umumnya yang membedakannya ialah jenis elektrolit yang digunakan sehingga menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi didalam sel. Bukan hanya jenis elektrolit saja hal lainnya seperti jenis katalis, batas temperatur juga turut berperan dalam pengklasifikasian sel bahan bakar. (Sumber: Colleen Spiegel,2008). Sampai saat ini jenis sel bahan bakar yang sudah ditemukan adalah:

• Polymer Electrolyte Membrane Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM membutuhkan hanya hidrogen, oksigen dari udara, dan air murni untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif. PEM biasanya digunakan untuk aplikasi transportasi dan beberapa aplikasi perkantoran. Biasanya digunakan untuk angkutan umum, seperti mobil dan bus. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).
• Direct Methanol Sel bahan bakar ini digerakkan menggunakan methanol murni, yang dicampur dengan uap dan dialirkan secara langsung ke anoda daripada sel bahan bakar. Direct methanol ini tidak mempunyai permasalahan tempat penyimpanan seperti sel bahan bakar lain pada umumnya. Hal ini dikarenakan methanol mempunyai berat jenis yang lebih tinggi daripada elektron namun lebih kecil daripada minyak diesel atau bensin. Saat ini penelitian dan pengembangan mengenai Direct methanol ini 3 – 4 tahun lebih lambat daripada sel bahan bakar jenis lainnya. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).
• Alkaline Sel bahan bakar ini merupakan yang pertama digunakan secara luas untuk program penghasil listik dan air pada pesawat luar angkasa oleh NASA. Sel bahan bakar ini menggunakan hidroksida dalam air sebagai elektrolit dan dapat menggunakan beberapa jenis dari metal sebagai katalis pada anoda dan katoda. Kekurangan dari sel bahan bakar tipe ini adalah dapat dengan mudah dicemari oleh karbondioksida. Pada prosesnya, karbondioksida dalam jumlah kecil pada udara yang sedikit dapat mempengaruhi kerja dari sel bahan bakar ini. Selain mempengaruhi kerja juga mempengaruhi umur daripada sel bahan bakar. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).
• Phosporic Acid

  Sel bahan bakar ini menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum..Phosporic Acid ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakar modern. Phosporic Acid terlihat lebih besar dan berat, dan juga lebih mahal. Seperti halnya PEM, Phosporic Acid membutuhkan katalis platinum yang lebih mahal, yang mana menaikkan biaya daripada sel bahan bakar. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).

• Molten Carbonate Sel bahan bakar ini menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt

  mixture, lithium aluminium oksida (LiAlO 2 ). Tidak seperti sel bahan bakar jenis alkaline, phosforic acid dan PEM, Molten Carbonate tidak membutuhkan alat

  pengubah eksternal untuk mengubah bahan bakar. Kekurangan utama daripada

  Molten Carbonate ini adalah daya tahan. Temperatur yang tinggi yang bekerja pada

  sel bahan bakar ini dan elektrolit korosif yang digunakan mempercepat korosi daripada kompenen, yang mengurangi umur daripada sel bahan bakar. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).

• Solid Oxide Sel bahan bakar ini menggunakan bahan keramik yang keras dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. Karena elektrolit dari Solid Oxide ini bersifat padat, sel bahan bakar tidak harus dibuat di dalam plat seperti sel bahan bakar jenis lainnya. (Sumber: Colleen Spiegel,2008)
• Regenerative Sel bahan bakar ini menghasilkan listrik dari elektron hasil hidrolisis air, membangkitkan panas untuk proses hidrolisis air. Sel bahan bakar jenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya. (Sumber: Colleen Spiegel,2008).

  Bentuk dari sel bahan bakar mempengaruhi performa sel bahan bakar merupakan masalah pada sel bahan bakar. Tujuan penelitian adalah mengetahui dampak modifikasi pada sel bahan bakar. Modifikasi ini termasuk aspek rasio geometri saluran, konfigurasi elektroda dan beberapa lubang masuk saluran secara periodik. Metode yang di gunakan untuk mencapai tujuan adalah dengan penggunaan aplikasi simulasi COMSOL Multiphysics. Hasil yang di dapat dari simulasi adalah dengan tegangan sel yang sama, pemanfaatan bahan bakar dengan beberapa lubang masuk saluran secara periodik sebesar 62,3% sedangkan dengan bentuk lubang masuk saluran berbentuk persegi sebesar 13,8%. Dengan bentuk saluran meruncing maka kurva polarisasi naik dari 15,4% menjadi 57,6%. Kesimpulan penelitian ini adalah dengan beberapa lubang masuk saluran secara periodik maka pemanfaatan sel bahan bakar lebih besar bila dibandingkan terhadap lubang masuk saluran berbentuk persegi. Dengan bentuk saluran meruncing maka performa sel bahan bakar meningkat di sebabkan karena elektroda pada dinding atas dan bawah pada saluran bisa lebih di perpanjang menuju pusat saluran. (Sumber: A. Ebrahimi Khabbazi, 2010)

2.3 Komponen Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

   Komponen pada tiap sel bahan bakar berbeda. Dan pada umumnya yang

  membedakannya ialah jenis elektrolit yang digunakan sehingga menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi didalam sel. Bukan hanya jenis elektrolit saja hal lainnya seperti jenis katalis, batas temperatur juga turut berperan dalam pengklasifikasian sel bahan bakar. (Sumber: Colleen Spiegel,2008). Dan gambar 2.5 menunjukkan komponen pada tumpukan sel bahan bakar membran elektrolit polimer

Gambar 2.5 Komponen Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar

  

(Sumber : Vasquez, 2007)

Keterangan :

  

1. Pelat alir

  

2. Lapisan difusi gas

  

3. Katalis anoda

  

4. Membran elektrolit

  

5. Katalis katoda

  Dan tabel 2.1 menunjukkan komponen dasar yang terdapat pada sel bahan bakar jenis membran elektrolit polimer yaitu:

Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

  Komponen Kegunaan Bahan yang biasa digunakan Membran Memungkinan proton untuk mengalir Persulfonic Acid

  Elektrolit dari anoda menuju katoda dan Membrane (Nafion Polimer menghalangi elektron yang akan masuk 112, 115, 117)

  Katalis Anoda Memisahkan hidrogen yang masuk Platinum / katalis menjadi proton dan elektron. karbon Katalis Katoda Menggabungkan proton yang masuk Platinum / katalis melalui membran elektrolit, elektron karbon yang kembali setelah memutari membran elektrolit dan oksigen dari udara untuk membentuk air

  Lapisan Difusi Memberi dukungan pada lapisan Carbon cloth atau Gas katalis, membantu transportasi toray paper hidrogen dan air menuju lapisan katalis

  Pelat Laju Alir Mengalirkan bahan bakar dan oksidan Grafit, baja anti menuju lapisan difusi gas karat Performa sel bahan bakar merupakan masalah pada sel bahan bakar. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui apakah lapisan platina pada lapisan katalis berpengaruh terhadap performa sel bahan bakar. Metode yang digunakan untuk mencapai tujuan adalah alogaritma optimasi gradien sel bahan bakar. Hasil yang di dapat dari hasil penelitian adalah lapisan platina perlu ditambah sebesar 20% - 30% dari fraksi massanya agar di dapatkan performa sel bahan bakar yang optimal. Kesimpulan dari penelitian adalah dengan di tambahkan fraksi massa platina pada lapisan katalis sebesar 20% - 30% maka performa sel bahan bakar dapat meningkat. (Sumber: M. Secanell, 2006) Transpor massa pada sel bahan bakar merupakan masalah dalam penelitian L. B. Wang. Tujuan penelitiannya adalah untuk mengetahui peningkatan performansi pada sel bahan bakar membran elektrolit polimer jika partikel magnet permanen di tambahkan pada lapisan katalis katoda. Metode yang di gunakan untuk mencapai tujuan adalah metode numerikal. Hasil dari penelitian adalah dengan adanya magnet maka saturasi air antara lapisan katalis dan lapisan difusi gas menurun sehingga menyebabkan ruang lebih untuk transport oksigen. Sehingga reaksi menjadi lebih sempurna. Kesimpulan penelitian adalah reaksi menjadi lebih sempurna bila transport massa selaras salah satunya dengan penambahan partikel magnet permanen yang memberi ruang untuk oksigen untuk bereaksi. (Sumber: L. B. Wang, 2004)

2.4 Jenis Ruang Alir pada Tumpukan Sel Bahan Bakar

  Didalam tumpukan sel bahan bakar terdapat suatu tempat yang berfungsi untuk mengalirkan

fluida. Tempat melajunya aliran fluida ini juga dikenal sebagai ruang alir. Dan bentuknya juga

bermacam-macam. (Sumber: Jundika C. Kurnia, 2011). Dan sampai saat ini sudah ditemukan

beberapa jenisnya yaitu sebagai berikut:

• Paralel Desain ruang alir ini memiliki pencabangan. Sehingga fluida yang masuk akan dibagi- bagi dan pada akhirnya akan berkumpul pada satu titik keluar. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.6 menunjukkan ruang alir paralel:

Gambar 2.6 Ruang Alir Paralel

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir paralel

  2. Lubang keluar pelat laju alir paralel

• Serpentine Pada jenis ini, saluran tidak ada pencabangan sama sekali dan jenis ini merupakan jenis seri. Jenis ruang alir ini memiliki bentuk yang simetri. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.7 menunjukkan ruang alir serpentine:

Gambar 2.7 Ruang Alir Serpentine

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir serpentine

  2. Lubang keluar pelat laju alir serpentine

• Wavy

  Jenis ini sangat mirip dengan jenis paralel, hanya saja bentuk tempat alirannya yang bergelombang. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.8 menunjukkan ruang alir wavy:

Gambar 2.8 Ruang Alir Wavy

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir wavy

  2. Lubang keluar pelat laju alir wavy

• Obligue Jenis ini merupakan jenis paralel yang menyamping. Selain itu bentuk jenis ini saling terhubung satu sama lain antara baris dengan baris beserta kolom dengan kolomnya. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.9 menunjukkan ruang alir obligue:

Gambar 2.9 Ruang Alir Obligue

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir obligue

  2. Lubang keluar pelat laju alir obligue

• Koil dengan outside inlet dan outlet Jenis ini memiliki masukan beserta keluaran fluida pada sisi terluar dari ruang alirnya. Dan bentuk daripada koil ini sendiri yaitu mengelilingi pusatnya. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.10 menunjukkan ruang alir koil dengan outside inlet dan

  outlet :

Gambar 2.10 Koil dengan outside inlet dan outlet

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir koil dengan outside inlet dan outlet

  2. Lubang keluar pelat laju alir koil dengan outside inlet dan outlet

• Koil dengan inside inlet dan outlet

  Jenis ini merupakan koil dengan masukan dan keluaran fluida di pusatnya. Jenis ini juga mengelilingi pusatnya. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.11 menunjukkan ruang alir koil dengan inside inlet dan outlet:

Gambar 2.11 Koil dengan inside inlet dan outlet

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang keluar pelat laju alir koil dengan inside inlet dan outlet

  2. Lubang masuk pelat laju alir koil dengan inside inlet dan outlet

• Koil dengan Serpentine Jenis ini mengelilingi pusat dan pada bagian pusatnya berbentuk seperti jenis

  serpentine . Bagian masuk dan keluar fluidanya terletak dibagian terluar dari ruang

  alir. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.12 menunjukkan ruang alir koil dengan serpentine:

Gambar 2.12 Koil dengan Serpentine

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir koil dengan serpentine

  2. Lubang keluar pelat laju alir koil dengan serpentine

• Koil dengan Serpentine Ganda

  Jenis ini memiliki persamaan dengan koil dengan serpentine. Hanya saja perbedaannya, pada bagian pusatnya memiliki bentuk serpentine ganda. Bagian masuk dan keluarnya fluida juga terletak pada bagian terluar dari ruang alir. (Sumber: Jundika C.Kurnia, 2011). Gambar 2.13 menunjukkan ruang alir koil dengan ganda:

  serpentine

Gambar 2.13 Koil dengan Serpentine Ganda

  (Sumber : Jundika C. Kurnia, 2011)

  Keterangan :

  1. Lubang masuk pelat laju alir koil dengan serpentine ganda

  2. Lubang keluar pelat laju alir koil dengan serpentine ganda

  Performa aliran sel bahan bakar merupakan masalah pada sel bahan bakar. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui iterasi aliran sel bahan bakar membran elektrolit polimer tunggal menggunakan pola aliran simetrik. Metode yang di gunakan untuk mencapai tujuan adalah aplikasi CFD dengan persamaan konservasi massa, konservasi energi, keadaan steady. Hasil yang di peroleh pada simulasi ini adalah keuntungan dalam penggunaan ruang alir jenis

  

serpentine karena bentuk simetrisnya. Kesimpulan penelitian adalah dengan menggunakan

  sifat simetris ruang alir serpentine dapat mengurangi beban iterasi aplikasi CFD. (Sumber: Bladimir Ramos Alvarado, 2011) Dimensi sel bahan bakar menjadi masalah sel bahan bakar dalam memperoleh performansi yang ideal. Tujuan di lakukan penelitiannya untuk menemukan dimensi yang ideal untuk tiap sel bahan bakar dalam menghasilkan tegangan listrik. Metode dalam memperoleh tujuan adalah dengan di simulasikan beberapa ukuran sel bahan bakar sehingga diperoleh kurva polarisasi yang dapat di ukur. Hasil yang di dapat dari simulasi adalah dengan penyesuaian parameter geometrik maka tegangan distribusi dapat meningkat sebesar 16,5%. Kesimpulan dari hasil penelitian adalah dengan penyesuaian parameter geometrik yang ideal maka efisiensi sel bahan bakar dapat meningkat. (Sumber: Chin Hsiang Cheng, 2009) Dimensi ruang alir pada sel bahan bakar mempengaruhi performa sel bahan bakar menjadi salah satu masalah sel bahan bakar. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performa sel bahan bakar dengan ukuran dimensi ruang alir yang berbeda. Dimensi luas ruang alir yang

  2

  digunakan sebagai acuan peneliti adalah 0,535 x 0,535 mm . Metode yang di gunakan dalam penelitian adalah dengan menggunakan simulasi CFD. Hasil yang di peroleh dari simulasi adalah bila luas ruang alir di kecilkan maka tingkat kecepatan transport oksigen meningkat sehingga reaksi menjadi sempurna dan performa meningkat. Distribusi kerapatan yang lebih seragam. Namun tekanan dalam ruang alir meningkat. Kesimpulan dari penelitian ini adalah ukuran luas ruang alir berbanding terbalik terhadap performa sel bahan bakar dan tekanan dalam ruang alir sel bahan bakar. (Sumber: Xiao Dong Wang, 2009)

2.5 Kecepatan Pada Ruang Alir

  Dalam ruang alir, gas bergerak dari satu ujung ke ujung lainnya pada kecepatan rata- rata tertentu.Perbedaan tekanan antara titik masuk dan titik keluar membuat cairan mengalir. Dengan adanya perbedaan tekanan maka juga terdapat perbedaan kecepatan. Aliran melalui ruang alir pada umumnya laminar, dan proporsional dengan tingkat aliran. Untuk mencari kecepatan pada ruang alir maka dibutuhkan nilai diameter hidrolik, panjang saluran dan juga laju aliran pada ruang alir. (Sumber: Colleen Spiegel,2008)

  Untuk ruang alir, diameter hidrolik dapat digambarkan sebagai : 2× ×

  = ....................................................................................................... (2.1)

• Dimana: = lebar saluran (m) = kedalaman (m) Laju aliran di pintu masuk tumpukan adalah :

  × (2.2) = × × .............................................

  � � ×

  4× − ×

2 Dimana:

  I = arus tumpukan (A) F = Konstanta Faraday (J)

  = rasio stoikiometri oksigen

  2 = kandungan oksigen di udara R = konstanta gas ideal (J/mol

  T = suhu ( K) = tekanan pada inlet tumpukan (Pa) K) = kelembaban relatif = tekanan saturasi (Pa)

  N cell = jumlah sel dalam tumpukan Kecepatan di pintu masuk sel bahan bakar adalah : � =

  × ℎ

  (2.3) Dimana: = laju aliran di tumpukan masuk (m³/s) N _cell N

  = jumlah sel dalam tumpukan _ch = lebar saluran (m) = jumlah saluran paralel = kedalaman (m) Untuk mengetahui jenis aliran yang terjadi pada ruang alir maka perlu diketahui bilangan Reynold atau nilai Re yang digambarkan sebagai berikut:

  = × �×

  (2.4) Dimana: ρ = massa jenis (kg/m ³ �

  = kecepatan rata-rata (m/s) ) D H μ = viskositas fluida (kg/ms)

  = diameter hidrolik (m)

Dari nilai Reynold yang diperoleh maka dapat diketahui jenis aliran yang terjadi pada ruang alir. Dan

berikut jenis aliran berdasarkan nilai Reynold: Jika Re < 2300 maka jenis aliran laminar Jika Re 2300 < Re < 4000 maka jenis aliran transisional Jika Re > 4000 maka jenis aliran turbulen

Hasil yang diperoleh melalui teori dan praktek terkadang memiliki perbedaan. Hal ini disebabkan oleh

faktor toleransi saat percobaan, faktor toleransi alat ukur,dll. Oleh sebab itu perbedaan yang muncul

  

akibat hasil teori dan hasil praktek ini dikenal dengan istilah simpangan. Dan simpangan dapat

diperoleh sebagai berikut: −

  Simpangan = | | x 100% .................................................................... (2.5)

  Kecepatan dalam ruang alir terhadap performansi sel bahan bakar merupakan masalah pada sel bahan bakar. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui jenis aliran dalam ruang alir terhadap performansi sel bahan bakar. Metode yang digunakan adalah menggunakan aplikasi CFD. Hasil penelitian adalah jenis aliran yang terjadi di dalam ruang alir tanpa pencabangan (serpentine) adalah jenis aliran laminar dengan nilai Reynold <100. Dengan aliran laminar yang terjadi pada ruang alir maka di peroleh keseragaman kerapatan dan kecepatan dalam ruang alir yang berpengaruh terhadap reaksi yang mempengaruhi performa sel bahan bakar. Kesimpulan penelitian adalah keseragaman kerapatan dan kecepatan aliran mempengaruhi performansi sel bahan bakar. (Sumber: Jundika C. Kurnia, 2011) Prediksi performa sel bahan bakar membran elektrolit polimer merupakan masalah yang di teliti oleh Alfredo Iranzo. Tujuan penelitiannya adalah membandingkan hasil simulasi

  2

  terhadap hasil perhitungan teori di mana luas lubang masuk hidrogen sebesar 50cm . Metode yang di gunakan adalah dengan aplikasi CFD dan perhitungan teori. Hasil yang di dapat adalah simpangan antara hasil simulasi dengan hasil perhitungan teori sebesar 27,85%. Kesimpulan dari penelitian adalah simpangan hasil simulasi dan perhitungan teori di akibatkan oleh ketidak akuratan reaksi yang sepertinya berasal ketika saat pemecahan hidrogen di mana proton melewati membran yang tidak dapat di modelkan dengan model aliran multifasa. (Sumber: Alfredo Iranzo, 2010)

2.6 CFD (Computational Fluid Dyanamic)

2.6.1 Alur Kerja CFD

  Aplikasi selalu bekerja berdasarkan suatu tahapan atau alur. Dan berikut alur kerja yang digunakan dalam penggunaan program CFD yaitu:

• Pemilihan masalah yang akan dianalisa dengan menggunakan program CFD
• Dilakukan analisa awal seperti objek apa yang akan dimodelkan, analisa tipe yang akan digunakan, apakah masalah itu akan diselesaikan secara seluruhnya atau bisa dimanfaatkan sifat simetri dari masalah tersebut yang bertujuan untuk mengurangi

  computational cost

• Membangun model yang akan dianalisa misalnya saja dengan menggunakan program

  Gambit, ICEM,dll. Setelah model telah siap maka dilakukan proses grid yaitu suatu proses dimana memisahkan komponen menjadi bagian-bagian kecil

• Setelah objek siap di grid maka objek siap untuk di export yaitu suatu proses pengkonversian jenis tipe file
• Setelah itu dilakukan langkah penentuan persamaan pembentuk aliran yang diinginkan untuk model anda
• Setelah itu dilanjutkan dengan langkah teknik diskritisasi yaitu suatu teknik memecahkan persamaan differensial parsial menjadi persamaan linear, juga penentuan kondisi batas yang berguna untuk membatasi iterasi yang dijalankan oleh aplikasi dan objek telah siap untuk dianalisa demi mendapatkan hasilnya

  Berikut gambar 2.14 menunjukkan diagram alir daripada alur kerja CFD yaitu:

Gambar 2.14 Diagram Alir Alur Kerja CFD

2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran

  

Dalam program CFD, ada persamaan pembentuk aliran yang dikenal juga dengan istilah governing

equation . Dalam proses perhitungan aliran fluida, program berjalan sesuai dengan ketentuan

persamaan pembentuk aliran ini. Dan persamaan pembentuk aliran ini ada tiga jenis yaitu:

1. Persamaan Kontinuitas

  Persamaan kontinuitas ini juga dikenal dengan hukum kekekalan massa. Konsep yang digunakan dalam hukum kekekalan massa ini ialah rata-rata kenaikan massa pada kontrol volume sama dengan massa yang mengalir masuk dan massa yang mengalir keluar. (Sumber: J.D. Anderson, 1995). Gambar 2.15 menunjukkan elemen fluida untuk konservasi massa yaitu:

Gambar 2.15 Elemen Fluida untuk Konservasi Massa

  (Sumber: J.D. Anderson, 1995) Berdasarkan hukum konservasi massa maka dapat diperoleh rumusan sebagai berikut:

  = ..................................................................................... (2.6) ∑ ṁ − ∑ ṁ

  ( ρ ∂x ∂y ∂z) = ρu ∂y ∂z + ρv ∂x ∂z + ρw ∂x ∂y – �ρu + � ∂y ∂z − (ρv +

  ) ∂x ∂z − (ρw + ) ∂x ∂y ...................................................... (2.7)

  ( ) ( ) ( )

• = 0 .................................................................. (2.8) +
• u + v + w ) = 0.................................. (2.9)
• 2.

  ρ(

  Persamaan Momentum Hukum momentum ini terbagi menjadi dua yaitu hukum Newtonian/hukum Navier-Stoke dan juga hukum non-Newtonian. Hukum Newtonian ini berlaku sesuai dengan hukum kedua Newton yang isinya resultan gaya pada suatu objek sama dengan perkalian massa objek terhadap akselerasi. Dan hal ini pula yang menjadi konsep dalam persamaan pembentuk aliran fluida. (Sumber: J.D. Anderson, 1995). Gambar 2.16 menunjukkan elemen fluida untuk konservasi momentum yaitu:

Gambar 2.16 Elemen Fluida untuk Konservasi Momentum

  (Sumber: J. D. Anderson, 1995) Berdasarkan hukum konservasi momentum maka dapat diperoleh rumusan sebagai berikut:

  = , a = , a =

  x y z dan m = ρ x y z maka pada:

  ∑ = m a dimana a Sumbu-x: − ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂y + ρ ∂x ∂y ∂z =

  ................................................................................................. (2.10) ρ ∂x ∂y ∂z

  Dan disederhanakan menjadi:

  Du

• = ................................................. (2.11)

  ρ − ρ Sumbu-y: − ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂y +

  ρ ∂x ∂y ∂z = ................................................................................................. (2.12)

  ρ ∂x ∂y ∂z

  Dan disederhanakan menjadi:

  Dv

• = ................................................. (2.13)

  ρ − ρ Sumbu-z: − ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂z + ∂x ∂y ∂y + ρ ∂x ∂y ∂z =

  ................................................................................................ (2.14) ρ ∂x ∂y ∂z

  Dan disederhanakan menjadi:

  Dw

• = ................................................. (2.15)

  − ρ ρ

  Du Dv Dw ∂(ρu) ∂(ρv) ∂(ρw)

• Bentuk = = = + +

  ρ uV ; ρ vV dan ρ wV sehingga

  ∂ ∂ ∂

  persamaan (2.11), (2.13) dan (2.15) dapat disubsitusi menjadi:

  ∂(ρu)

  = + + + + + − ρ uV ................................... (2.16)

  ∂ ∂(ρv)

• =

  − vV ................................... (2.17)

  ρ

  ∂ ∂(ρw)

  = + + + + + − ρ wV .................................. (2.18)

  ∂

  Pada fluida Newton, tegangan normal dan tegangan geser dapat diformulasikan sebagai berikut: =

  ......................................................................................... (2.19) σ xx μ + 2 μ

  = ......................................................................................... (2.20)

  σ yy μ + 2 μ = ......................................................................................... (2.21)

  σ μ + 2 μ

  zz

  = = ] .............................................................................. (2.22) τ τ μ [

• xy yz

  = = ] .............................................................................. (2.23) τ xz τ zx μ [

• = = ] .............................................................................. (2.24)
• yz zy μ [

  τ τ

  Pada persamaan (2.16), (2.17) dan (2.18) dimasukkan formula fluida Newton maka akan diperoleh persamaan Navier-Stoke secara lengkap untuk tiap sumbunya yaitu: Sumbu-x:

  ( ) ( ) ( ) ( )

  = (2 ) + ( ) + + + + + − − −

• ( ) + .................................................................................... (2.25) ^R ρfx

  Sumbu-y:

  ( ) ( ) ( ) ( )

• = (2
• ) + ( ) + _R

  − − − ( ) + .................................................................................... (2.26)

• Sumbu-z:

  ρfy

  ( ) ( ) ( ) ( )

  = (2 ) + ( + +

• − − −

  ) + ( ) + ........................................................................ (2.27) ^R ρfz

• 3.

  Persamaan Energi Konsep yang digunakan dalam hukum kekekalan energi ini ialah rata-rata perubahan energi dalam (Ė) pada elemen sama dengan jumlah dari fluks panas (Q) kedalam elemen dan rata- rata kerja (W) yang diselesaikan pada elemen oleh badan dan gaya permukaan. Tujuan dilakukannya persamaan energi yaitu untuk mendapatkan distribusi temperatur pada objek.

  (Sumber: J.D. Anderson, 1995). Gambar 2.17 menunjukkan fluks panas pada permukaan dari elemen fluida yaitu:

Gambar 2.17 Fluks Panas pada Permukaan dari Elemen Fluida

  (Sumber: J.D. Anderson, 1995) Berdasarkan hukum konservasi energi maka dapat diperoleh rumusan sebagai berikut: Ė = Q + W ...................................................................................................... (2.28)

  Dimana Q = [qx – (qx +

  )] + [qy – (qy + )] + [qz – (qz + )] + ρq ....................................................................... (2.29)

  Q = [ )] + + ρq – (

  ...................................................... (2.30) Melalui hukum Fourier untuk mencari gradien temperatur lokal maka diperoleh q = ; q = ; q = dan V = u+v+w

  x −k y −k z −k

  Subsitusikan pada persamaan (2.30) sehingga menjadi: Q = [ (k ) + (k ) + (k )]

  ρq + δV ...................................... (2.31) Dan untuk rata-rata kerja (W) maka kembali digunakan persamaan momentum dan hasilnya akan menjadi sebagai berikut: W = [ (u + v + w ) + (u + v + w )]

  δV + −(ρV) +

  [ (u + v + w ) + ρfV] δV ....................................................... (2.32)

  Dan setelah rumus-rumus diatas disederhanakan dan juga dijumlahkan maka akan diperoleh suatu persamaan yang lebih sederhana yang dikenal dengan persamaan energi yaitu:

  ( ) ( ) ( ) ( )

• = (k ) + (k ) + (k ) +

  ρq ........................................................................................................................ (2.33) Efisiensi metode numerik pada sel bahan bakar menjadi masalah dalam simulasi. Dan tujuan penelitian dari Pengtao Sun adalah mengembangkan efisiensi dan keakuratan hasil simulasi pada sel bahan bakar. Metode yang digunakan melalui simulasi CFD dengan menggunakan persamaan konservasi massa, momentum dan energi. Hasil simulasinya berupa hasil konvergen dapat diperoleh melalui 80 iterasi non-linear. Kesimpulanya adalah pada objek simetri, hanya perlu di bentuk setengah bagian objeknya saja untuk menghemat proses iterasi sehingga efisiensi metode numerik di peroleh. (Sumber: Pengtao Sun, 2011) Transportasi sel bahan bakar pada temperatur tinggi menjadi salah satu masalah pada sel bahan bakar. Tujuan penelitian yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh konvektif dan difusif pada transportasi sel bahan bakar. Metode yang di gunakan untuk memperoleh tujuan

  yaitu dengan simulasi menggunakan CFD. Hasil yang di peroleh dari simulasi adalah transportasi hidrogen pada daerah reaksi baik secara konvektif maupun difusif memiliki peranan yang sama penting demi hasil reaksi yang sempurna. Kesimpulan dari penelitiannya adalah proses pemisahan dan penggabungan hidrogen yang tidak selaras mempengaruhi performa sel bahan bakar. (Sumber: Young Jun Sohn, 2011)

2.6.3 Bidang Aplikasi CFD

  

CFD awalnya dikembangkan hanyalah untuk kebutuhan bidang aerospace dimana

  perhitungan amat diperlukan untuk melengkapi data pengujian di terowongan angin. Setelah sukses dengan misi awal ini ternyata CFD sekarang amat banyak digunakan di berbagai bidang. Prinsipnya selama menggunakan fluida mengalir maka CFD dapat digunakan. (Sumber: Nazita Saye, 2008). Dan berikut beberapa bidang yang menggunakan aplikasi CFD ini yaitu:

• Aerodinamik Dalam hal ini CFD digunakan untuk menghitung gaya drag dan juga gaya angkat pada pesawat, motor ataupun mobil. Dan berikut gambar 2.18 menunjukkan perhitungan aerodinamik dengan menggunakan program CFD yaitu:

Gambar 2.18 Perhitungan Aerodinamik dengan Program CFD

  (Sumber :

• Hidrodinamik Dalam hal ini CFD digunakan untuk menganalisa kemampuan suatu objek dalam menghadapi fluida misalnya saja seperti air,dll. Berikut gambar 2.19 menunjukkan perhitungan hidrodinamik dengan program CFD yaitu:

Gambar 2.19 Perhitungan Hidrodinamik dengan Program CFD

  (Sumber : http://mechanicalengineeringblog.com/2213-aerodynamics-cfd-aerodynamic- analysis-aerodynamics-concepts-aerodynamics-introduction/)

• Pembangkit Tenaga Dalam kasus ini CFD digunakan untuk menganalisa pembakaran yang terjadi pada motor bakar dan turbin gas. Berikut gambar 2.20 menunjukkan simulasi pembangkit tenaga dengan aplikasi CFD yaitu:

Gambar 2.20 Analisa dengan Program CFD

  (Sumber : http://ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/ANSYS+CFD)

• Turbomachinery Dalam kasus ini CFD digunakan untuk menganalisa objek misalnya sirip pompa,dll. Berikut gambar 2.21 menunjukkan simulasi dengan program CFD yaitu:

Gambar 2.21 Perhitungan Sirip Pompa dengan Program CFD

  (Sumber : http:

• Elektronika Dalam kasus ini CFD digunakan untuk menganalisa komponen elektronik dan juga pendingin yang digunakan untuk mendinginkan komponen elektronika. Berikut

gambar 2.22 menunjukkan simulasi dengan program CFD yaitu:Gambar 2.22 Analisa Aliran pada Papan Elektronik

  (Sumber: http://schneider.co.il/en/products.php?ar=1&ct=4&id=26)

• Proses Kimia

  Dalam kasus ini CFD digunakan untuk menghitung temperatur yang dihasilkan dari proses kimia yang terjadi. Berikut gambar 2.23 menunjukkan temperatur yang dihasilkan akibat pengadukan dengan menggunakan program CFD yaitu:

Gambar 2.23 Temperatur akibat Proses Pengadukan

  (Sumber: http://glatt.com/times/times30site/tms30_home.html)

• Bangunan

  Dalam kasus ini CFD digunakan untuk menganalisa gaya yang dapat ditahan oleh sebuah bangunan misalnya saja seberapa besar angin yang dapat ditahan oleh sebuah bangunan. Berikut gambar 2.24 menunjukkan simulasi dengan program CFD yaitu:

Gambar 2.24 Perhitungan Ketahanan Bangunan dengan Program CFD (Sumber : http://thermoanalytics.com/thermal-analysis/application/technologies/cfd-thermal-analysis)

• Teknik biomedikal

  Dalam kasus ini CFD digunakan untuk keperluan medis misalnya saja dalam perhitungan inkubator bayi,dll. Berikut gambar 2.25 menunjukkan simulasi dengan program CFD yaitu:

Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi

  (Sumber: http: