BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Analisa Efisiensi Kipas dan Simulasi Kecepatan Hidrogen di Dalam Micro Channel Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) Polymer Electrolyte Membrane Kapasitas 20W

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Sel bahan bakar

  Pada awalnya sel bahan bakar telah didemonstrasikan oleh Sir William Robert Grove (1811-1896), seorang ahli hukum Inggris yang merangkap sebagai seorang peneliti amatir, pada tahun 1839 dengan menggunakan pembalikan elektrolisa air, elektroda yang digunakan adalah platina. Dasar

• – dasar sel bahan bakar ditemukan secara tidak disengaja pada saat percobaan elektrolisa. Ketika Sir William melepaskan baterai dari electrolyzer dan menghubungkannya ke dua elektroda secara bersamaan, Sir William menemukan bahwa terdapat arus yang mengalir pada arah yang berlawanan, mengkonsumsi gas hidrogen dan oksigen. Sir William menyebut peralatan ini sebagai „gas battery’. Baterai gas tersebut terdiri dari elektroda platinum yang terletak di dalam selang percobaan dari hidrogen dan oksigen, tercelup di dalam asam sulfur cair. Baterai gas ini menghasilkan daya sekitar satu volt.
• – Pada tahun 1842, Grove menyambungkan beberapa baterai gas bersama sama dalam bentuk seri membentuk sebuah „gas chain’. Grove menggunakan listrik yang dihasilkan dari gas chain untuk menggerakkan sebuah electrolyzer, memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Bagaimanapun, akibat dari permasalahan korosi dari elektroda dan stabilitas dari material, sel bahan bakar Grove tidak dapat diaplikasikan. Sebagai hasilnya, dilakukan penelitian kecil dan pengembangan lebih jauh terhadap sel bahan bakar untuk beberapa tahun yang akan datang.

  Mulai tahun 1950 pihak NASA di Amerika Serikat telah melakukan pemanfaatan untuk program angkasa luar mereka yaitu untuk pesawat roket Appolo dan Gemini. Pada tahun 1960-an, International Fuel Cells di Windsor,Connecticut mengembangkan power plant sel bahan bakar untuk pesawat luar angkasa Apollo. Power plant ini terletak di lokasi servis daripada pesawat luar angkasa, memberikan aliran energi listrik sebaik disalurkannya air minum untuk para astronot selama perjalanan ke bulan. Power plant ini dapat menghasilkan 1,5kW dari energi listrik secara terus menerus. Performa sel bahan bakar selama misi Apollo ini adalah hanya sebagai contoh awal saja. Pada tahun

  1970-an, International Fuel Cells mengembangkan sebuah sel bahan bakar alkaline yang lebih bertenaga untuk pesawat luar angkasa NASA (Orbiter). Orbiter menggunakan tiga buah power plant sel bahan bakar untuk memberikan energi listrik yang dibutuhkan selama penerbangan. Power plant ini menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen yang didapatkan dari tangki cryogenic dan memenuhi kebutuhan terhadap energi listrik dan juga air minum. Selama lebih dari 30 tahun, US Department of Technology telah melakukan banyak penelitian dan pengembangan dan pada tahun 1987 mereka mulai menerapkannya pada kendaraan.

Gambar 2.1 Sejarah perkembangan sel bahan bakar

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

2.2 Prinsip Dasar Sel bahan bakar

  Sel bahan bakar bekerja berdasarkan prinsip pembakaran listrik - kimiawi

  , cell ini akan memproduksi energi listrik arus searah (arus DC). Sel bahan

  bakar terdiri dari elektrolit yang memisahkan katoda dari anoda, elektrolit hanya dapat menghantarkan ion saja, sedangkan elektron tidak dapat melewati elektrolit, jadi elektrolit ini bukanlah penghantar listrik dan juga menghindarkan terjadinya reaksi kimia. Pada anoda akan dialirkan secara berkesinambungan bahan bakar dan pada katoda dialirkan oksigen, pengaliran oksigen ini dilakukan secara terpisah. Karena pengaruh katalisator pada elektroda, maka molekul

• – molekul dari gas yang dialirkan akan berubah menjadi ion. Reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang bebas, sedang pada katoda elektron yang bebas akan diikat.

  Elektron

• – elektron bebas yang terjadi harus dialirkan keluar melalui penghantar menuju ke anoda, agar proses listrik – kimiawi dapat berlangsung.

  Panas yang timbul dari hasil reaksi kimia harus terus menerus dibuang, agar energi listrik dapat terbentuk secara kontinyu. Reaksi

• – reaksi yang terdapat di dalam sel bahan bakar :

  Anoda : H 2 (g)

  2H (aq) + 2e

  Katoda 2 (g) + 2H (aq) + 2e H

  2 O (l)

  ⁄ O :

  Keseluruhan : H ⁄ O

  2 O (l) + electric energy + waste heat

• 2 (g) 2 (g) H

2.3 Jenis – Jenis Sel bahan bakar

  Sel bahan bakar diklasifikasikan berdasarkan atas jenis dari elektrolit yang digunakan. Klasifikasi ini menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, jenis katalis yang diperlukan, batas temperatur dimana sel tersebut bekerja, bahan bakar yang dibutuhkan, dan faktor

• – faktor lainnya. Adapun sel bahan bakar hingga saat ini terbagi menjadi 7 klasifikasi utama antara lain : 1.

   Polymer Electrolyte Membrane (PEM) 2. Direct methanol 3. Alkaline 4. Phosporic acid 5. Molten carbonate 6. Solid oxide 7. Regenerative

• – Pada tabel 2.1 dapat dilihat jenis daripada elektrolit untuk masing masing sel bahan bakar dan operasi temperatur, karakteristik dan penggunaannya.

  

Sel bahan bakar mempunyai efisiensi yang cukup tinggi, dari 40% sampai 70% tergantung dari jenis sel bahan bakar, yang paling tinggi adalah alkaline (AFC),

  solid oxyde (SOFC), direct methanol fuel cell (DMFC), dan regenerative fuel cell.

  Proton Exchange Membrane (PEM) lebih dikenal sebagai Polymer

Electrolyte Membrane menyalurkan berat jenis yang inggi dan menawarkan

  keuntungan pada berat dan volume yang rendah, dibandingkan dengan sel bahan bakar yang lainnya. Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer solid sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM membutuhkan hanya hydrogen, oksigen dari udara, dan air untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif seperti sel bahan bakar. Sel bahan bakar PEM biasanya digunakan untuk aplikasi transportasi dan beberapa aplikasi perkantoran. Biasanya digunakan untuk angkutan umum, seperti mobil dan bus.

Gambar 2.2 Alur kerja Sel bahan bakar PEM

  (Sumber :http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

  Direct methanol fuel cell (DMFC) digerakkan menggunakan methanol

  murni, yang dicampur dengan uap dan dialirkan secara langsung ke anoda daripada sel bahan bakar. DMFC ini tidak mempunyai permasalahan tempat penyimpanan seperti sel bahan bakar lain pada umumnya. Hal ini dikarenakan methanol mempunyai berat jenis yang lebih tinggi daripada hidrogen namun lebih kecil daripada minyak diesel atau bensin. Saat ini penelitian dan pengembangan mengenai DMFC ini 3

• – 4 tahun lebih lambat daripada sel bahan bakar jenis lainnya. Alur kerja daripada DMFC ini dapat dilihat pada gambar 2.3.

Tabel 2.1 Jenis Sel bahan bakar dan karakteristik

  Jenis Elektrolit Temperatur Karakteristik Penggunaan

  o

  Operasi (

  C)

  Polymer Polymer

  60 Kerapatan Kendaraan (sedan,

• – 100

  Exchange

  elektrlyt energi tinggi, bis, minivan),

• Membrane (H ) memiliki stasiun pembangkit

  (PEM) kepekaan panas terhadap CO (<100ppm)

  Direct

  Elektrolit 60 kendaraan

• – 120 Efisiensi

  Methanol polymer sistem tinggi,

• Fuel Cell (H ) peka terhadap

  (DMFC) hasil oksidasi di anoda

  Alkaline Kalilauge

  60 Efisiensi Pesawat ruang

• – 120 (AFC) (KOH) energi tinggi, angkasa, kendaraan memiliki kepekaan terhadap CO2

  Phosporic Phospor 160 Stasiun

• – 200 Efisiensi

• Acid Fuel Acid (H ) energi pembangkit panas,

  Cell (PAFC) terbatas, peka kendaraan

  terhadap CO (<1,5% Vol)

• – 1000 Efisiensi sistem tinggi, temperatur operasi perlu diturunkan

  2-

  Alkaline fuel cells

  (Sumber:http://www.nfcrc.uci.edu/2/FUEL_CELL_INFORMATION/FCexplaine d/FC_Types.aspx)

Gambar 2.3 Alur kerja DMFC

  Sumber : Colleen Spiegel, 2008

  Pembangkit energi panas, penggabung stasiun pembangkit dengan turbin gas

  ) 800

  (O

  Molten Carbonate

  (SOFC) Lapisan keramik

  Solid Oxyde

  Stasiun pembangkit energi panas, pembangkit energi listrik

  ) 500 – 650 Problem korosi

  3 2-

  Carbonate (CO

  (MCFC) Molten

  adalah salah satu dari teknologi sel bahan bakar yang dikembangkan, dan merupakan yang pertama digunakan secara luas untuk program penghasil energi listik dan air pada pesawat luar angkasa oleh NASA. Sel bahan bakar ini menggunakan potasium hidroksida dalam air sebaga 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.

Gambar 2.4 Alur kerja Alkaline Sel bahan bakar

  (Sumber: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

  Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum.

  PAFC ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakar modern. PAFC lebih toleran terhadap ketidakmurnian daripada bahan bakar yang telah diubah menjadi hydrogen daripada Sel bahan bakar PEM. PAFC terlihat lebih besar dan berat, dan juga lebih mahal. Seperti halnya Sel bahan bakar PEM, PAFC membutuhkan katalis platinum yang lebih mahal, yang mana menaikkan biaya daripada sel bahan bakar.

Gambar 2.5 Alur Kerja PAFC Fuel Cell

  (Sumber: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

  Molten Carbonate Fuel Cell

  (MCFC) saat ini sedang dikembangkan untuk gas natural dan batubara untuk kegunaan elektrik, industri, dan aplikasi militer. MCFC adalah sel bahan bakar yang bekerja pada temperatur tinggi yang menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt mixture, lithium aluminium oksida (LiAlO ). Tidak seperti sel bahan bakar jenis alkaline,

  2

phosporic acid dan PEM fuel cell, MCFC tidak membutuhkan alat pengubah

  eksternal untuk mengubah bahan bakar menjadi hidrogen. Kekurangan utama daripada MCFC 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.

Gambar 2.6 Alur kerja MCFC

  (Sumber: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

  Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan bahan keramik yang keras

  dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. Karena elektrolit dari SOFC ini bersifat padat, sel bahan bakar tidak harus dibuat di dalam plat seperti sel bahan bakar jenis lainnya. SOFC ini diharapkan dapat memiliki efisiensi 50

• – 60 % untuk mengubah bahan bakar menjadi listrik.

  Regenerative Fuel Cell

  menghasilkan listrik dari hidrogen, oksigen, membangkitkan panas dan air sebagai bahan bakar, seperti sel bahan bakar lainnya. Regenerative fuel cell juga dapat menggunakan elektrolisa dari solar

  power

  atau sumber lainnya untuk membagi kelebihan air menjadi bahan bakar hidrogen dan oksigen. Sel bahan bakar jenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya.

2.4 Komponen - komponen sel bahan bakar

  Adapun komponen

• – komponen dari sel bahan bakar dapat terlihat seperti pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Komponen - komponen Sel bahan bakar

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

Tabel 2.2 komponen dasar dari PEM Fuel Cell

  Komponen Kegunaan Bahan yang biasa digunakan

  

Polymer Memungkinan proton daripada Persulfonic Acid

Electrolyte Membrane

  hidrogen untuk mengalir dari anoda (Nafion

  

Membrane menuju katoda 112, 115, 117)

Catalyst layers

  Memisahkan bahan bakar menjadi Platinum / carbon proton dan elektron. Proton kemudian catalyst disatukan dengan oksidan untuk membentuk air pada katoda sel bahan bakar. Elektron lalu mengalir menghasilkan daya

  Gas diffusion

  Memungkinkan bahan bakar / oksidan Carbon cloth atau

  

layers untuk mengalir melalui lapisan toray paper

Polymer Electrolyte Membrane. Flow field plates Mengalirkan bahan bakar dan oksidan Graphite, Stainless

  ke gas diffusion layer Steel

  

Gaskets Mencegah terjadinya kebocoran bahan Silicon , teflon

  bakar, dan membantu mendistribusikan tekanan secara merata

  End plates

  Menahan lapisan Stack tetap pada Stainless steel, tempatnya. Graphite, Polyethylene, PVC

  Sumber : Colleen Spiegel, 2008

2.5 Aplikasi sel bahan bakar

  Aplikasi sel bahan bakar antara lain digunakan untuk :  Transportasi Pada segi transportasi, para ilmuwan memberikan spekulasi bahwa kendaraan dengan sel bahan bakar akan menjadi komersial pada beberapa tahun yang akan datang. Sampai saat ini 50 bus bertenaga sel bahan bakar digunakan di Amerika Utara dan Selatan, Eropa, Asia dan Australia.

  Pada April 1999, terbentuklah sebuah lembaga bernama California

  Fuel cell Partnership yang terdiri atas DaimlerChrysler, the California Air

  Resources Board, the California Energy Commission, Ballard Power, Ford, Shell dan Texaco. Yang memiliki tujuan utama untuk memperkenalkan teknologi sel bahan bakar kepada para pengendara mobil dengan memberikan demonstrasi - demonstrasi terhadap sel bahan bakar ini. Sampai saat ini General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, British Petroleum, Exxon Mobil, Xcellsis, US Department of Energy dan US Department of Transportation juga sudah bergabung ke dalam lembaga ini.

Gambar 2.8 Contoh Aplikasi sel bahan bakar pada segmen transportasi di

  Australia (Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hydrogen_fuel_cell_bus.jpg)

   Telekomunikasi Saat ini, beberapa jaringan internet dan jaringan komunikasi yang lainnya juga menggunakan sel bahan bakar. Sel bahan bakar dibuktikan hampir 100% dapat diandalkan untuk penggunaan pada sektor telekomunikasi ini.

   Power stations Energi listrik yang dibutuhkan oleh dunia ini semakin lama semakin meningkat. Di Amerika Serikat kebutuhan akan energi listrik meningkat kira - kira 2,4% (IEA, 1997), dan di negara - negara berkembang kebutuhan akan energi listrik meningkat rata - rata 6% (Khatib,1998).

  Sampai saat ini lebih dari 2500 sistem sel bahan bakar telah dipasang di rumah sakit, hotel, gedung perkantoran, dan sekolah

• – sekolah. Sistem ini dipasang pada daerah
• – daerah yang memang belum terjangkau oleh

listrik. Selain itu sel bahan bakar ini memiliki kelebihan tidak menimbulkan polusi.

Gambar 2.9 Fuel cell distributed power plant

  (Sumber : http://peswiki.com/index.php/Directory:How_Much_is_One_(1)_Megawa tt)

Gambar 2.9 menunjukkan sebuah power plant oleh Nedstack, diinstalasikan pada bulan Juli tahun 2011yang terdiri atas 12.600 stack sel

  bahan bakar dengan kapasitas 1MW.  Micro Power Beberapa kelebihan yang didapatkan apabila aplikasi sel bahan bakar diterapkan ke micro power antara lain adalah pengguna barang

• – barang elektronik dapat memperoleh kekuatan baterai yang jauh lebih kuat dengan teknologi sel bahan bakar, handphone dapat digunakan selama 30 hari tanpa recharging, laptop dapat digunakan selama 20 jam tanpa recharging.

  Beberapa keuntungan yang didapatkan dari penggunaan sel bahan bakar antara lain adalah : Sel bahan bakar berpotensi untuk beroperasi pada tingkat efisiensi yang

• tinggi,
• bahan bakar ke dalam sel bahan bakar,

  Terdapat banyak alternatif untuk bahan bakar, dan metode pendistribusian

• Tidak menghasilkan polusi

  Memiliki desain bentuk yang sangat presisi,

• Tingkat perawatan yang cukup rendah karena sel bahan bakar tidak
• mempunyai bagian yang bergerak
• bahan bakar.

  Tidak perlu diisi ulang, dan menghasilkan daya langsung setelah dialirkan

  Selain terdapat berbagai keuntungan dari sel bahan bakar ini, tentu saja juga terdapat beberapa kekurangan yang antara lain adalah : Membutuhkan biaya yang cukup besar dikarenakan kebutuhan material

• dengan sifat
• – sifat tertentu. Namun saat ini sedang dikembangkan material yang membutuhkan biaya yang cukup kecil, termasuk didalamnya platinum dan Nafion,
• Reformasi teknologi bahan bakar membutuhkan biaya yang besar dan membutuhkan tenaga untuk menjalankan sel bahan bakar.

  Jika digunakan bahan bakar lain selain hidrogen untuk sel bahan bakar,

• maka performa dari sel bahan bakar akan berkurang seiring berjalannya waktu akibat dari korosi pada katalis dan sisa – sisa elektrolit.

2.6 Pemodelan sel bahan bakar mikro

  Perubahan pada jarak atau proporsi sel bahan bakar dari besar hingga kecil biasanya disebut "pengukuran", dan sifat yang tepat dengan perubahan jumlah partikel dengan pertimbangan terhadap jumlah lainnya yang disebut "hukum pengukuran". Pengukuran dapat diujicoba dalam sistem gaya tunggal. Ketika sebuah peralatan juga mempunyai proporsi yang tetap, rasio area terhadap volume permukaan selalu meningkat sebagaimana pengukuran panjang menurun. Oleh karena itu, sebagaimana sebuah objek semakin kecil, efek permukaan menjadi lebih penting. Ketika titik dimana efek permukaan berpengaruh lebih daripada efek volume bergantung terhadap sistem yang berada dalam perkiraan, aturan yang cukup bagus adalah aturan dimana ukuran peralatan dalam skala milimeter cukup kecil untuk efek permukaan agar menjadi penting, tetapi efek ini akan dominan dalam aturan mikron. Beberapa perbedaan antara sistem makroskopik dan mikroskopik meliputi antara lain :  Pengaruh permukaan yang lebih penting daripada pengaruh di dalamnya  Volume yang sangat kecil  Permasalahan terhadap gelembung - gelembung  Tidak adanya aliran turbulen yang tidak diinginkan Klasifikasi dari tipe mikrochanel di dalam literatur, tetapi pedoman yang bagus dapat ditemukan pada tabel 2.3. Tabel 2.4 menunjukkan perbedaan aliran untuk aturan dimensi saluran untuk udara dan hidrogen.

  Terdapat parameter utama yang dapat diabaikan ketika permodelan sel bahan bakar skala makro, yang perlu untuk dimasukkan ketika permodelan sel bahan bakar mikro. Beberapa dari pertimbangan performa dengan peralatan mikro adalah volume minimal, tingkat kebocoran yang rendah, kontrol aliran yang bagus, dan besarnya difusi. Konfigurasi stack yang biasanya banyak digunakan untuk sel bahan bakar makro dan mikro adalah konfigurasi bipolar, dimana telah disampaikan pada bab sebelumnya seperti ditunjukkan pada gambar 2.10. Terdapat banyak konfigurasi stack alternatif untuk sel bahan bakar mikro, dan rancangan dan permodelan dari sel bahan bakar ini berada pada tingkat pertumbuhan perusahaan yang mengembangkannya.

Tabel 2.3. Klasifikasi dari Microchannels

  Clasiffication Hydraulic Diameter Range

  Convectional Dh > 3mm Minichannel

  3mm > Dh > 200μm Microchannel 200μm > Dh > 10μm Sumber : Colleen Spiegel, 2008

Tabel 2.4. Channel Dimensions (microns [μm])

  Continuum Flow Slip Flow Air >67 0.67 - 67 H

  2 >123 1.23 - 123

  Sumber : Colleen Spiegel, 2008

Gambar 2.10. Dasar sel bahan bakar mikro berdasarkan rancangan sel bahan bakar tradisional

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Parameter permodelan yang penting adalah :

   Ukuran, berat, dan volume pada daya yang diinginkan  Temperatur  Kelembaban dan pengaturan air  Tekanan bahan bakar dan oksidan

  Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.10 membrane electrode

  

assembly (MEA) dipisahkan oleh plat yang terdapat ruang alir untuk

  mendistribusikan bahan bakar dan oksidan. Kebanyakan stack sel bahan bakar, dengan mengabaikan ukuran dan bahan bakar yang digunakan, adalah konfigurasinya.

  Topik spesifik yang akan dibahas pada bab ini meliputi :  Sel bahan bakar mikro pada literatur  Microfluidics  Laju aliran dan tekanan  Gelembung dan partikel  Efek kapilaritas  Penurunan tekanan pada fasa tunggal dan dua fasa

  Subbab ini menjelaskan perbedaan dan permasalahan potensial antara

  stack

  sel bahan bakar mikro dan makro serta memperkenalkan microfluidics untuk permodelan plat bipolar sel bahan bakar micro-electro mechanical systems (MEMS).

2.6.1 Sel bahan bakar Mikro

  Sel bahan bakar mikro telah didokumentasikan dalam beberapa tahun. Telah banyak perusahaan - perusahaan yang sedang mengembangkan teknologi ini untuk pengembangan pada telepon seluler dan peralatan portabel lain yang kecil. Bagaimanapun, banyak dari keuntungan dari teknologi MEMS belum diaplikasikan pada sel bahan bakar, oleh karena itu, optimalisasi dari sel bahan bakar MEMS berada pada titik pertumbuhannya. Subbab berikutnya akan memberikan gambaran dan perbandingan dari teknologi sel bahan bakar MEMS yang telah didokumentasikan pada literatur.

  2.6.1.1 Elektroda - Elektroda Ketebalan dari elektroda pada sel bahan bakar tradisional biasanya adalah 250 -

  2

  2000 angstroms (Å) dengan muatan katalis 0,5 mg/cm . Untuk sel bahan bakar mikro, muatan platinum adalah dari 5 - 60 nm (ketebalan), dengan muatan

  2

  platinum-ruthenium untuk anoda antara 2 dan 6 mg/cm , dan muatan platinum

  2

  untuk katoda antara 1,3 dan 2 mg/cm . Lapisan adhesi disimpan sebelum lapisan katalis, dan biasanya memiliki ketebalan 25 - 300Å. Sebagaimana disebutkan sebelumnya, muatan katalis adalah faktor penghalang biaya untuk sel bahan bakar PEM. Dikarenakan ruang yang kecil pada sel bahan bakar mikro, distribusi dan penempatan dari katalis homogen sangatlah penting. Mempertimbangkan hal ini juga sangat penting untuk menghasilkan sebuah model akurat dari elektroda untuk sel bahan bakar MEMS. Lapisan difusi Lapisan difusi terbuat dari material anti karat yang konduktif seperti karbon atau kertas Toray. Ketebalan dari lapisan difusi ini biasanya 0,25 - 0,40 mm. konduktifitas dari kertas dapat ditingkatkan dengan memasukkan bubuk yang konduktif terhadap listrik seperti karbon hitam. Untuk membantu memindahkan air dari pori - pori kertas karbon, lapisan difusi dapat diberikan PTFE

  (Polytetrafluoroethylene)

  . Berdasarkan atas desain GDL, kekerasan dari akurasi model dapat ditingkatkan termasuk detail geometrik untuk sel bahan bakar mikro.

  2.6.1.2 Plat Bipolar

  Plat bipolar yang paling sederhana (pada sel bahan bakar yang besar) terbuat dari stainless steel atau grafit. Plat stainless steel adalah komponen berat untuk sistem portabel atau micropower. Plat grafit solid sangatlah konduktif, lambat secara kimia, dan tahan terhadap korosi, tetapi mahal, rapuh, dan mahal untuk dibuat. Material yang telah digunakan untuk pembuatan sel bahan bakar MEMS adalah

  

silicon wafers, kertas karbon, PDMS (Polydimethylsiloxane), SU-8, tembaga, dan

  kertas logam stainless steel. Teknik Photolithography dan microfabrication sederhana telah mulai digunakan pada sel bahan bakar MEMS dalam beberapa tahun terakhir. Saluran alir Pada sel bahan bakar PEM, ruang alir harus didesain untuk mengurangi penurunan tekanan ketika memberikan perpindahan massa yang cukup dan seimbang melalui lapisan difusi karbon menuju permukaan katalis untuk reaksi. Tiga konfigurasi saluran yang paling terkenal untuk sel bahan bakar tradisional adalah serpentine, parallel, dan interdigitate flow.. Karena reaksi hidrogen tidak diukur terbatas, dan penghalangan air pada anoda yang lembab dapat terjadi, pengaturan serpentine biasanya digunakan untuk anoda pada sel bahan bakar PEM yang lebih kecil. Gambar 2.11 menujukkan bentuk aliran interdigitated, serpentine, dan spiral interdigitated untuk sel bahan bakar MEMS.

  Ada beberapa sel bahan bakar MEMS yang telah difabrikasi dengan saluran spiral interdigitated. Menggabungkan keuntungan dari bentuk aliran serpentine dan interdigitated mendahulukan saluran spiral interdigitated. Gambar 2.11c menunjukkan contoh dari tipe ruang alir. Puncak kerapatan dari sel spiral

  13

interdigitated berkurang sebagaimana ukuran yang berkurang dari 1000 - .

  5 μm Sifat pengukuran sedikit sama terhadap saluran interdigitated, bagaimanapun, jalur aliran yang kecil sangat menonjol pada saluran yang lebih kecil.

Gambar 2.11 Desain ruang alir Interdigitated, serpentine, dan spiral-

  

interdigitated (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Performa sel bahan bakar meningkat sebagaimana kecepatan saluran alir gas meningkat karena peningkatan kecepatan alir menambah transportasi massa. Kecepatan di dalam saluran alir akan meningkat sebagaimana ukuran dikurangi. Bagaimanapun, kekurangan dari ukuran yang lebih kecil adalah peningkatan penurunan tekanan di dalam saluran alir. Ukuran yang disarankan untuk saluran alir di dalam literatur adalah dari 100 x 200 x 20 μm - 500 x 500 μm - 750 x 750 x 12,75 mm, dengan banyak panjang, lebar, dan kedalaman antar lebar bingkai. Penelitian yang terbaru membuktikan bahwa performa sel bahan bakar meningkat dengan berkurangnya dimensi saluran alir, seperti ditunjukkan pada gambar 2.12.

Gambar 2.12. Kurva a)polarisasi dan b)power density sel bahan bakar untuk lebar dan kedalaman 20 -

  1000 μm (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

2.6.2 Desain dan konfigurasi stack

  Pada stack sel bahan bakar tradisional, katoda dari satu sel dihubungkan kepada anoda dari sel selanjutnya. Komponen utama dari stack sel bahan bakar adalah

  

membrane electrode assemblies (MEAs), paking, plat bipolar dengan koneksi listrik, dan plat akhir. Stack dihubungkan bersama menggunakan baut, batang, ataupun metode lainnya untuk mengapit sel - sel secara satu. Aspek utama dari desain fuel cell adalah :

   Keseragaman distribusi dari reaktan ke sel  Keseragaman distribusi reaktan di dalam sel  Mempertahankan temperatur yang diharuskan di dalam setiap sel  Kehilangan minimum  Kekokohan mekanik

  Kebanyakan sistem MEMS menggunakan silikon sebagai material yang disarankan karena ketersediaan, biaya rendah, dan berbagai teknologi pembuatan silikon. Beberapa proses yang biasanya digunakan untuk menciptakan sel bahan bakar mikro adalah anisotropic etching, deep reactive ion etching (DRIE), dan CVD (Chemical Vapor Deposition) dan PVD (Physical Vapor Deposition) untuk menyimpan berbagai jenis material. Polimer digunakan, tetapi sistem silikon/glass secara mekanik lebih stabil, tahan terhadap temperatur/tekanan tinggi, dan lembam secara kimia. Bagaimanapun, silikon itu rapuh, dan polimer mengijinkan konfigurasi dan teknik pembuatan alternatif. Beberapa dari polimer yang sedang diteliti meliputi PMMA (Polymethylmethacrylate) dan PDMS

  

(Polydimethylsiloxanne) menggunakan penggoresan ion, polymeric surface

micromachining, hot embossing, soft lithography, dan laser machining. Kerta

  stainles steel dan selaput tembaga juga sedang diteliti sebagai material untuk pengiriman bahan bakar/plat pengumpul daya.

  Terdapat lebih banyak variasi dalam desain sel bahan bakar dan

  2

  konfigurasi dengan sel bahan bakar MEMS (1cm atau kurang) daripada sel bahan bakar yang lebih besar. Desain yang cukup menarik ditunjukkan pada gambar 2.13, dimana pertama dipromosikan oleh Aravamudhanl.

  (Sumber : Aravamudhan, 2005) Ruang alir terbuat dari silikon, dan proton exchange membrane dijepit antara dua set ruang alir. Platinum disimpan pada kedua microcolumns untuk bertindak sebagai elektrokatalis dan pengumpul arus. Diameter pori ruang alir dengan hati - hati dikontrol untuk pipa tekanan untuk mendistribusikan bahan bakar secara benar dan mengurangi penyilangan methanol. Area dari setiap elektroda adalah

  2 1cm .

Gambar 2.14 menunjukkan desain planar, yang merupakan desain stack yang biasa digunakan dalam sel bahan bakar mikro selain dari desain tradisional

  yang ditunjukkan pada gambar 2.10. Desain planar adalah dua dimensi dan membutuhkan area permukaan yang besar untuk mengirimkan performa yang sama menuju konfigurasi bipolar. Bahan bakar dan oksidan dikirim melalui satu sisi dari sel bahan bakar.

Gambar 2.14. Tampilan cross sectional dari stack sel bahan bakar mikro planar

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Hal menarik lain dari desain sel bahan bakar mikro ditunjukkan pada

gambar 2.15. Struktur sel bahan bakar ini biasanya terbuat dari silikon dan saluran difabrikasi pada dimensi yang cukup kecil agar bahan bakar dan oksigen mengalir dalam kondisi aliran laminar tanpa adanya pencampuran. Proton berpindah dari satu aliran ke aliran selanjutnya tanpa adanya bantuan dari PEM.

Gambar 2.15. Tampilan cross sectional dari aliran laminar tanpa membran pada

  

stack sel bahan bakar mikro

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Terdapat ruang masuk yang terpisah untuk bahan bakar dan oksidan. Material elektroda disimpan pada struktur silikon dengan percikan atau evaporasi.

  Aliran laminar adalah konsep baru dalam pengembangan sel bahan bakar mikro. Desain yang banyak dikenal adalah sistem microchannel bentuk Y dimana dua aliran bahan bakar bersebelahan dengan bantuan dari besarnya kontrol dan sistem penjagaan di luar dari sel bahan bakar. Ketika dipertimbangkan bagaimana sistem ini akan dapat diaplikasikan, salah satu konsep penting untuk dipikirkan adalah ukuran dari sambungan antara dua bahan bakar, dimana didefinisikan oleh kedalaman dan panjang dari saluran. Lebar tidak dipertimbangkan sebagai hal yang penting karena sambungan adalah tetap tanpa memperhatikan lebar dari saluran tersebut.

  Microfluidics

  Seperti halnya pada rangkaian kesatuan mekanik, microfluidics menggunakan persamaan Navier-Stokes untuk cairan dan gas. Persamaan - persamaan tersebut sesuai untuk cairan dan gas, dengan pengecualian bahwa gas adalah kompresibel ketika cairan tidak. Sebagaimana dimensi menjadi lebih kecil, perbedaan antara gas dan cairan menjadi lebih nyata. Perbedaan pertama adalah cairan mempunyai sambungan, dan terdapat batasan tertentu cairan mengalir di dalam saluran. Pada sisi lain, gas siap untuk dicampurkan bersama. Perbedaan kedua menjadi lebih nyata ketika persamaan Navier-Stokes dianalisa untuk sistem MEMS. Nomor Knudsen yang lebih kecil dari 0,01 mengindikasikan bahwa persamaan dari teori rangkaian kesatuan harus menghasilkan perkiraan yang bagus, ketika nomor Knudsen muncul dalam satu kesatuan berarti bahwa gas harus diperlakukan sebagai gabungan dari partikel daripada rangkain kesatuan. Bentuk yang berguna dari persamaan Navier-Stokes untuk sistem MEMS dijelaskan pada bagian berikut ini.

  2.6.3 Laju aliran dan tekanan

  Untuk pipa dengan panjang l, dan cross section lingkaran dengan radius r, persamaan Navier Stokes dapat diselesaikan untuk steady state, fluida inkompresibel. Aliran volumetric didapat dari hukum Hagen-Poiseuille (Sumber : Colleen Spiegel, 2008): (2.1) dimana ΔP adalah penurunan tekanan melalui panjang dari pipa dan v adalah viskositas dinamis dari cairan. Menggunakan kondisi batas tanpa slip, kecepatan rata - rata dari fluida (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.2)

  Tahanan fluida adalah penurunan tekanan melalui rata - rata aliran dan tersendiri daripada kecepatan rata - rata fluida (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.3) yang menunjukkan bawah pipa kecil mempunyai ketahanan yang sangat tinggi.

  2.6.4 Gelembung - gelembung dan partikel

  Gelembung - gelembung adalah sangat penting pada sistem MEMS daripada sistem makroskopik. Karena ukuran saluran sangat kecil, gelembung kadangkala dapat menghalangi keseluruhan saluran, menghalangi aliran, menciptakan pecahan kosong yang besar, atau menghasilkan banyak permasalahan lainnya pada mikrosistem. Seperti gelembung, partikel di dalam sistem microfluidic penting karena ukurannya dapat dibandingkan dengan saluran alir. Dalam hal untuk menghindari permasalahan dengan partikel pada sistem MEMS, penyaringan secara hati - hati terhadap fluida - fluida dan gas - gas diperlukan.

  2.6.5 Efek kapilar

  Gaya tegangan permukaan yang membuat cairan masuk ke dalam saluran alir yang kecil atau kapilar adalah (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.4) dimana

  θ adalah sudut kontak antara cairan dan permukaan. Untuk kapilar

  vertikal, gaya gravitasi pada kolom peningkatan cairan didapatkan (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.5) ketika gaya - gaya ini dianggap sama, peningkatan maksimum dari fluida di dalam kapilar dibandingkan dengan gravitasi adalah (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.6)

  Oleh karena itu, tinggi dari kolom fluida akan meningkat sebagaimana ukuran dari saluran dikurangi. Gaya kapilar sangat berguna pada microfluidics karena saluran yang sant panjang dapat diisi dengan fluida menggunakan gaya ini sendiri (selama gaya kapilar tidak dilawan oleh gravitasi).

  2.6.6 Penurunan tekanan tunggal dan dua fasa

  Perhitungan penurunan tekanan tunggal dan dua fasa untuk microchannels cukup berbeda dengan perhitungan untuk ukuran saluran konvensional. Terdapat beberapa model dalam literatur untuk penurunan tekanan pada microchannels untuk ukuran - ukuran yang berbeda dari microchannels fasa gas dan cair. Model penurunan tekanan diperkenalan oleh Garimella et al digunakan pada bagian ini. Tipe pertama dari penurunan tekanan adalah konsentrasi penurunan tekanan akibat dari penyempitan pada area aliran. Model aliran homogen yang digunakan untuk menghitung konsentrasi penurunan tekanan (Sumber : Colleen Spiegel, 2008):

  (2.7) [( ) ]

  (2.8) ( )

  (2.9) (2.10)

  Banyak model aturan penurunan tekanan aliran dari Garimella et al. untuk aliran kondensasi dari refrigerant R134a di dalam tabung dengan 0,5 < D < 4,9 mm dapat digunakan untuk tipe - tipe fluida lainnya. Walaupun model ini mengandung submodel yang terpisah untuk aturan aliran intermittent dan aturan aliran annular/mist/disperse, pada penelitian sekarang ini, porsi aluran annular digunakan untuk semua data pada implementasinya.

  Pada model aliran annular, faktor gesekan pada sambungan dihitung dari fasa korespondensi cairan Re dan faktor gesekan, parameter Martinelli, dan parameter yang terkait dengan tegangan permukaan (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  (2.11)

• 3

  dimana batas laminar adalah < 2300 dan A = 1,308 x 10 , a = 0,4273, b = 0,9295, dan c = -0,123.

  Parameter X Martinelli didapatkan dari (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  ( )

  ( )

  ( )

  (2.12)

  Penurunan tekanan dua fasa di dalam lengkungan dihitung menggunakan model aliran homogen (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.13)

  Fluks massa dibutuhkan untuk menghitung penurunan tekanan pada belokan yang tiba - tiba di dalam saluran didapatkan berdasarkan atas area alir minimum di dalam saluran dimana gas masuk ke dalam saluran (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  ̇

  (2.14) dimana d adalah kedalaman dari saluran. Perlambatan tekanan yang dihasilkan

  TS

  menggunakan rumus (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  ( ) ( )

  (2.15)

  ( ) ( )

  Dimana (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.16)

  | [ ( ) ( ) ( ) ] Perlambatan tekanan yang dihasilkan dan penyusutan dan kehilangan pemuaian sebanding dengan kuadrat dari fluks massa, oleh karena itu, peningkatan atau penurunan pada nilai yang sama dengan perubahan fluks massa. Penyusutan dan pemuaian penurunan tekanan meningkat. Perlambatan penurunan tekanan adalah sebanding dengan perubahan pada kualitas disekeliling bagian percobaan.

2.6.7 Kecepatan di dalam microchannels

  Terdapat dua daerah nyata dari aliran di dalam sebuah microchannel : aliran masuk dan daerah aliran regular. Ketika fluida atau gas memasuki saluran tersebut, aliran (kecepatan) berubah dari datar menjadi lebih melingkar dan kemudian menjadi bentuk parabolik. Seketika hal ini terjadi, maka kecepatan aliran akan berada pada kondisi daerah berkembang penuh, seperti ditunjukkan pada gambar 2.16.

Gambar 2.16 Kecepatan yang bertambah dari daerah masuk menjadi berkembang penuh di dalam sebuah microchannel

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) Bentuk parabolik adalah bentuk yang biasa dari aliran laminar di dalam saluran, dan diakibatkan oleh adanya lapisan batas. Ketika fluida pertama kali memasuki saluran, kecepatan tidak akan lagi berada pada kondisi parabolik. Melainkan, akan berkembang melewati sebuah jarak yang disebut panjang masuk.

  Nilai volumetric dari area yang terdapat pada bagian saluran dapat ditulis dengan persamaan (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

• ( ) ∑ (( ) +

  ( ) ( )

  (2.17) dengan Q adalah laju aliran volumetrik, dan dp/dx adalah gradien tekanan sepanjang x. gradien tekanan dapat dihubungkan dengan kecepatan rata - rata u (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  (2.18) dimana k adalah konstanta yang berhubungan dengan aspek rasio sebuah saluran persegi.

2.7 Pemodelan Stack sel bahan bakar

  Terdapat banyak parameter yang harus dipertimbangkan ketika mendesain dan membuat model sebuah sel bahan bakar. Beberapa batasan yang harus dipertimbangkan tersebut antara lain adalah :

   Ukuran, berat, dan volume pada daya yang diinginkan  Biaya  Pengaturan air

   Distribusi bahan bakar dan oksidan Gambar 2-17 mengilustrasikan sebuah stack sel bahan bakar PEM.

Gambar 2.17 Skema dari sebuah Stack sel bahan bakar PEM

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

2.7.1 Pengukuran stack sel bahan bakar

  Pengukuran dari sebuah stack sel bahan bakar sangatlah sederhana, terdapat dua variabel independen yang harus dipertimbangkan (tegangan dan daya). Syarat yang diketahui adalah tenaga maksimum, tegangan, dan/atau daya. Kembali bahwa tenaga output adalah produk dari tegangan stack dan daya (Sumber : Colleen Spiegel, 2008): W PC = V st . I (2.19)

  Pertimbangan lainnya yang membantu ketika mendesain sebuah stack sel bahan bakar adalah daya dan berat jenis daya. Kebanyakan variabel ini tidak tersedia pada awalnya, dan dapat dihitung dari tenaga output yang diinginkan, tegangan stack, efisiensi, dan volume dan juga batasan berat. Daya adalah produk dari berat jenis daya dan area aktif dari sel (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : I = i * A cell (2.20)

  Sebagaimana disebutkan sebelumnya, potensial sel dan berat jenis daya berhubungan dengan kurva polarisasi (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : V = f(i)

  cell

  (2.21)

Gambar 2.18 menunjukkan contoh kurva polarisasi untuk sel bahan bakar

  PEM tunggal dari literatur. Kebanyakan pengembang fuel cell menggunakan teganan sebesar 0,6 sampai 0,7 V pada daya nominal. Sistem sel bahan bakar dapat dengan mudah didesain pada tegangan nominal sebesar 0,8 V per sel atau lebih tinggi apabila desain tersebut benar, material, kondisi operasi, kesetimbangan bentuk, dan peralatan elektronik yang digunakan dipilih.

Gambar 2.18. Kurva polarisasi untuk sel bahan bakar PEM sel tunggal

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

2.7.2 Jumlah sel

  Jumlah sel di dalam stack kebanyakan ditentukan oleh kebutuhan tegangan maksimal dan tegangan operasi yang diinginkan. Potensial stack total adalah jumlah dari tegangan stack atau produk dari rata - rata potensial sel dan banyaknya sel didalam stack adalah (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) :

  ∑ ̅ (2.22)

  Area sel harus didesain untuk mendapatkan daya yang diinginkan untuk

  

stack . Ketika hal ini dikalikan dengan total voltase stack, daya maksimum yang

  dihasilkan untuk stack akan didapatkan. Tegangan rata - rata dan berat jenis daya terpilih yang cocok dapat memilihi efek yang besar terhadap ukuran dan efisiensi

  

stack . Efisiensi stack sel bahan bakar dapat diperkirakan dengan menggunakan

  persamaan (Sumber : Colleen Spiegel, 2008) : (2.23)

2.7.3 Konfigurasi stack

  Dalam desain stack bipolar tradisional, stack sel bahan bakar mempunyai banyak sel dalam bentuk seri, dan aktoda dari satu sel digabungkan dengan anoda dari setiap sel selanjutnya. MEA, paking, plat bipolar, dan plat akhir adalah lapisan dari sel bahan bakar. Stack digabung menggunakan baut, batang, atau peralatan tekanan lainnya untuk mengkelem sel tersebut secara bersama. Ketika memikirkan desain dari sel bahan bakar, hal - hal berikut ini harus diperhatikan :

   Bahan bakar dan oksidan harus didistribusikan secara seragam melalui setiap sel, dan melewati area permukaan.  Temperatur harus seragam pada seluruh stack.  Apabila mendesain sebuah sel bahan bakar dengan polymer electrolyte, membran harus dikeringkan atau akan dibanjiri oleh air.  Kehilangan hambatan harus dijaga pada kondisi minimum.  Stack harus disegel dengan baik untuk memastikan tidak terjadinya kebocoran gas.  Stack haruslah kokoh dan mampu untuk beradaptasi dengan lingkungan dimana stack tersebut akan digunakan.

  Konfigurasi sel bahan bakar yang paling banyak ditemukan ditunjukkan pada

gambar 2.19. Setiap sel (MEA) dipisahkan oleh plat dengan ruang alir pada kedua sisinya untuk mendistribusikan bahan bakar dan oksidan. Plat akhir stack sel

  bahan bakar hanya mempunyai satu sisi ruang alir. Mayoritas dari stack sel bahan bakar, mengabaikan tipe sel bahan bakar, ukuran, dan bahan bakar yang digunakan, menggunakan konfigurasi ini.

Gambar 2.19. Konfigurasi stack sel bahan bakar (stack 2 sel)

  (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)

2.7.4 Distribusi bahan bakar dan oksidan ke dalam sel