Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

(1)

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN

BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FRANS

NIM. 080401040

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

KATA PENGANTAR

Puji syukur dan terima kasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer”

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, Namun berkat dorongan, semangat, do’a dan bantuan baik materiil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST,MT. selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen pembanding I dan Bapak Ir. Syahrul Abda,M.Sc selaku Dosen pembanding II.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

5. Kedua orang tua penulis yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

7. Teman-teman satu team skripsi, Juwirianto, William Ryan Wijaya, Rezky Putra Pratama, Ismail Rusli dan Otto Sebastian yang telah membantu dan memberikan dukungan.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini kurang sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, 23 Oktober 2012

(12)

ABSTRAK

Pada tumpukan sel bahan bakar membran elektrolit polimer, salah satu masalahnya berupa kecepatan laju aliran pada ruang alir yang berpengaruh terhadap reaksi dalam tumpukan sel bahan bakar. Oleh sebab itu dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mengetahui besarnya simpangan kecepatan, jenis aliran dalam ruang alir dan jenis ruang alir yang di simulasikan. Air murni dan sel bahan bakar jenis membran elektrolit polimer menjadi batasan masalahnya. Manfaat penelitian adalah mengurangi penggunaan sumber bahan bakar fosil, menutupi kekurangan dari tumpukan sel bahan bakar. Metode yang digunakan untuk mencapai tujuan adalah melalui perhitungan teori dan simulasi menggunakan aplikasi CFD. Hasil yang di peroleh adalah besarnya simpangan kecepatan yang terjadi sebesar 36,98%, jenis aliran yang terjadi pada ruang alir berupa aliran laminar dan jenis ruang alir yang di simulasikan merupakan ruang alir tanpa pencabangan atau ruang alir serpentine. Kesimpulan penelitian adalah besarnya simpangan kecepatan berdampak terhadap ketidak optimalan sel bahan bakar, jenis aliran laminar menghasilkan keseragaman kerapatan dan kecepatan yang berdampak terhadap ketidak optimalan sel bahan bakar yang tidak terlalu besar, jenis ruang alir serpentine dapat di manfaatkan sifat simetrisnya sehingga keoptimalan iterasi aplikasi CFD meningkat.

(13)

ABSTRACT

On the stack polymer electrolyte membrane fuel cell, one of the problem was the flow velocity at the flow field that affected the reaction at the fuel cell stack. Therefore the purpose of the research was to know how much the velocity deviation, type of flow and type of flow field that being simulated. Aquadest and polymer electrolyte membrane fuel cell was the extent of the problem. Benefit of the research was to decrease the used of fosil, decrease the shortage of the fuel cell staack. The method useed to achieve the purpose was teoritical calculation and simulation using CFD software. The result obtained is the velocity deviation was 36,98%, type of flow occured at the flow field was laminar flow dan type of the flow field that being simulated was serpentine flow field. The research conclusion the amount of velocity deviation effect the unoptimal of the fuel cell, laminar flow produce the uniformity of density and velocity that effect a little of unoptimal of the fuel cell, serpentine flow field symetry could be used to achieve higher iteration optimal of CFD,

(14)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR SIMBOL x BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang 1 1.2 Identifikasi Masalah 1

1.3 Tujuan Penelitian 1 1.4 Batasan Masalah 2 1.5 Manfaat Penelitian 2 1.6 Sistematika Penulisan 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Sel Bahan Bakar ... 4

2.1.1 Pengenalan Sel Bahan Bakar ... 4

2.1.2 Keuntungan dan Kekurangan pada Sel Bahan Bakar ... 4

2.1.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar ... 5

2.1.4 Sejarah Sel Bahan Bakar ... 8

2.2 Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar ... 10

2.3 Komponen Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer ... 12

2.4 Jenis Ruang Alir pada Tumpukan Sel Bahan Bakar ... 15

2.5 Kecepatan Pada Ruang Alir ... 21

2.6 CFD (Computational Fluid Dynamic) ... 24

2.6.1 Alur Kerja CFD ... 24

2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran ... 25

2.6.3 Bidang Aplikasi CFD ... 31

BAB III METODOLOGI ... 37

3.1 Metodologi Pengujian ... 37

(15)

3.3 Peralatan Pengujian ... 39

3.4 Experimental Setup ... 47

3.5 Prosedur Pengujian ... 49

3.6 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Secara Teori ... 50

3.7 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Menurut Simulasi ... 52

3.8 Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Teori ... 67

3.9 Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Simulasi ... 68

3.10 Jenis Ruang Alir ... 69

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 70

4.1 Hasil dan Pembahasan Simpangan Kecepatan ... 70

4.2 Hasil dan Pembahasan Jenis Aliran ... 70

4.3 Hasil dan Pembahasan Jenis Ruang Alir ... 71

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 72

5.1 Kesimpulan ... 72

5.2 Saran ... 72

DAFTAR PUSTAKA ... 73

(16)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer ... 14

Tabel 3.1 Parameter Asumsi Kecepatan Aliran ... 51

Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran ... 51

Tabel 3.3 Gambar Pandangan Objek ... 53

Tabel 3.4 Gambar Hasil Simulasi Objek ... 63

Tabel 3.5 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Teori ... 67

Tabel 3.6 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Teori ... 68

Tabel 3.7 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Simulasi ... 69

(17)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Portabel ... 6

Gambar 2.2 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Transportasi ... 7

Gambar 2.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Stasioner ... 8

Gambar 2.4 Sejarah Sel Bahan Bakar... 9

Gambar 2.5 Komponen Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar ... 13

Gambar 2.6 Ruang Alir Paralel ... 15

Gambar 2.7 Ruang Alir Serpentine ... 16

Gambar 2.8 Ruang Alir Wavy ... 17

Gambar 2.9 Ruang Alir Obligue ... 17

Gambar 2.10 Koil dengan outside inlet dan outlet ... 18

Gambar 2.11 Koil dengan inside inlet dan outlet ... 19

Gambar 2.12 Koil dengan Serpentine ... 19

Gambar 2.13 Koil dengan Serpentine Ganda ... 20

Gambar 2.14 Diagram Alir Alur Kerja CFD ... 25

Gambar 2.15 Elemen Fluida untuk Konservasi Massa ... 26

Gambar 2.16 Elemen Fluida untuk Konservasi Momentum ... 27

Gambar 2.17 Fluks Panas pada Permukaan dari Elemen Fluida ... 29

Gambar 2.18 Perhitungan Aerodinamik dengan Program CFD ... 32

Gambar 2.19 Perhitungan Hidrodinamik dengan Program CFD ... 32

Gambar 2.20 Analisa dengan Program CFD ... 33

Gambar 2.21 Perhitungan Sirip Pompa dengan Program CFD ... 34

Gambar 2.22 Analisa Aliran pada Papan Elektronik ... 34

Gambar 2.23 Temperatur akibat Proses Pengadukan ... 35

Gambar 2.24 Perhitungan Ketahanan Bangunan dengan Program CFD ... 35

Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi ... 36

Gambar 3.1 Air Murni ... 37

Gambar 3.2 Serbuk Asam ... 38

Gambar 3.3 Ionizer ... 38

Gambar 3.4 Tumpukan Sel Bahan Bakar ... 40

Gambar 3.5 Hydrofill ... 41

Gambar 3.6 Hydrostick ... 42

Gambar 3.7 Multitester ... 43

Gambar 3.8 Komputer ... 44

(18)

Gambar 3.10 Cooling Pad ... 45

Gambar 3.11 Tampilan Gambit ... 46

Gambar 3.12 Tampilan Fluent ... 47

Gambar 3.13 Experimental Setup Pada Saat Proses Hydrolisis ... 48

Gambar 3.14 Experimental Setup Pada Saat Proses Pengoperasian ... 49

Gambar 3.15 Diagram Alir Percobaan Skripsi ... 50

Gambar 3.16 Penghubungan Titik Koordinat ... 52

Gambar 3.17 Proses Mesh Objek ... 57

Gambar 3.18 Objek yang Telah di-Mesh ... 57

Gambar 3.19 Batasan Objek ... 58

Gambar 3.20 Export Objek ... 58

Gambar 3.21 Penskalaan Objek ... 59

Gambar 3.22 Bentuk Penyelesaian Fluent ... 59

Gambar 3.23 Material Objek ... 60

Gambar 3.24 Kondisi Operasi Objek... 61

Gambar 3.25 Kondisi Batas Objek ... 61

(19)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

C Kapasitas Panas J/0

c D

Kedalaman Saluran m

Ė Perubahan Energi Dalam J

Diameter Hidrolik m

F Gaya N

F Konstanta Faraday J

fx f

Body Force pada sumbu-x N/kg

y f

Body Force pada sumbu-y N/kg

I Arus Tumpukan A/cm

Body Force pada sumbu-z N/kg

k Konduktivitas Termal W/m

m Massa kg

ṁ Laju Aliran Massa kg/s

MH20 M

Molekul Air -

udara

Ncell Jumlah sel -

Molekul Udara -

P Tekanan Pa

Psat Tekanan Saturasi Pa

Tekanan Masuk Pa

qx Fluks Panas pada sumbu-x W/m

y Fluks Panas pada sumbu-y W/m

z Fluks Panas pada sumbu-z W/m

Qstack Laju Aliran Masuk Stack m

R Konstanta Gas Ideal J/mol

Kandungan Oksigen di Udara -

S Rasio Stoikiometri Oksigen -

T Temperatur 0

u Kecepatan pada sumbu-x m/s

v Kecepatan pada sumbu-y m/s

V Kecepatan Masuk Stack m/s

w Kecepatan pada sumbu-y m/s

W Kerja Nm

(20)

Huruf Yunani

Simbol Arti Satuan

� Massa Jenis kg/m

CFD Massa Jenis Pada CFD kg/m

μ Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik kg/ms

μCFD

CFD kg/ms

Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik pada

σxx Tegangan Normal pada sumbu-x N/m

yy Tegangan Normal pada sumbu-y N/m

zz Tegangan Normal pada sumbu-z N/m

zy Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-y N/m

zx Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-x N/m

yx Tegangan Geser sumbu-y terhadap sumbu-x N/m

φ Kelembaban Relatif -

�x Diferensial terhadap sumbu-x -

�y Diferensial terhadap sumbu-y -

�z Diferensial terhadap sumbu-z -

�t Diferensial terhadap waktu -

(21)

ABSTRAK

(22)

ABSTRACT

(23)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada saat ini, sebagian besar sumber energi listrik adalah berasal dari bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil selain merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, bahan bakar jenis ini juga mengakibatkan dampak lingkungan diantaranya menyebabkan pemanasan global, dan mengeluarkan gas beracun akibat pembakaran yang tidak sempurna. Untuk membantu mengatasi permasalahan diatas, maka diperlukan suatu inovasi teknologi seperti penggunaan energi sel bahan bakar.

Potensi di Indonesia sebagai negara maritim amatlah besar. Oleh sebab itu ketersediaan sumber energi di Indonesia boleh dibilang cukup memungkinkan. Akan tetapi penggunaan teknologi sel bahan bakar ini untuk menghasilkan energi listrik memiliki beberapa kelemahan, yaitu sumber energi yang akan diolah (air) diupayakan berupa air yang bersih dari mineral atau air murni.

1.2 Identifikasi Masalah

Adapun yang menjadi identifikasi masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Apakah ada perbedaan kecepatan aliran hasil simulasi terhadap perhitungan teori pada ruang laju alir?

2. Apakah jenis aliran pada ruang alir baik secara perhitungan teori maupun hasil simulasi sama?

3. Apakah jenis ruang alir yang di simulasikan pada penelitian ini?

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui besarnya simpangan kecepatan dari hasil perhitungan teori dan hasil simulasi dengan menggunakan program CFD terhadap keoptimalan sel bahan bakar

2. Untuk mengetahui pengaruh dari jenis aliran pada sel bahan bakar terhadap ketidak optimalan sel bahan bakar

3. Untuk mengetahui pengaruh jenis ruang alir yang disimulasikan terhadap keoptimalan iterasi pada program CFD

1.4 Batasan Masalah

(24)

1. Sumber hidrolisisnya ialah air murni (aquadest)

2. Jenis sel bahan bakar yang digunakan ialah sel bahan bakar PEM (Polymer Electrolyte Membrane)

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian adalah sebagai berikut :

1. Mengurangi pengunaan sumber bahan bakar fosil untuk menghasilkan energi listrik

2. Menutupi kekurangan dari tumpukan sel bahan bakar 3. Memberikan wacana untuk penelitian lebih lanjut

1.6 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan pada skripsi ini adalah : BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : latar belakang, identifikasi masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah, adapun teori-teori yang dikaji antara lain mengenai : pengenalan sel bahan bakar, kelebihan dan kekurangan sel bahan bakar, penggunaan sel bahan bakar, sejarah sel bahan bakar, jenis sel bahan bakar, komponen sel bahan bakar, jenis ruang alir, kecepatan pada ruang alir, alur kerja CFD, persamaan pembentuk aliran pada CFD dan aplikasi bidang CFD

BAB III METODOLOGI

Bab ini berisi metodologi pengujian, bahan dan alat yang digunakan dalam proses pengujian, adapun isi dari bab ini ialah seperti berikut: metodologi pengujian, bahan pengujian, peralatan pengujian, experimental setup, dan prosedur pengujian.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi hasil dari simulasi kecepatan pada ruang alir, perhitungan kecepatan secara teori, simpangan kecepatan hasil teori dan hasil simulasi beserta jenis aliran pada ruang alir

(25)

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

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1Sel 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)

(26)

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

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1Sel Bahan Bakar

2.1.1 Pengenalan Sel Bahan Bakar

(27)

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)

(28)

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

(29)

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:

(30)

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)

(31)

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)

(32)

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).

(33)

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 (LiAlO2). 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

(34)

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

(35)

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 polimeryaitu:

Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

Komponen Kegunaan Bahan yang biasa

digunakan Membran

Elektrolit Polimer

Memungkinan proton untuk mengalir dari anoda menuju katoda dan menghalangi elektron yang akan masuk

Persulfonic Acid

Membrane (Nafion

112, 115, 117)

Katalis Anoda Memisahkan hidrogen yang masuk menjadi proton dan elektron.

Platinum / katalis karbon

Katalis Katoda Menggabungkan proton yang masuk melalui membran elektrolit, elektron yang kembali setelah memutari membran elektrolit dan oksigen dari udara untuk membentuk air

Platinum / katalis karbon

Lapisan Difusi Gas

Memberi dukungan pada lapisan katalis, membantu transportasi hidrogen dan air menuju lapisan katalis

Carbon cloth atau

toray paper

Pelat Laju Alir Mengalirkan bahan bakar dan oksidan menuju lapisan difusi gas

Grafit, baja anti karat

(36)

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:

(37)

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

(38)

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

(39)

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:

(40)

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

(41)

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

serpentine ganda:

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

(42)

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 digunakan sebagai acuan peneliti adalah 0,535 x 0,535 mm2. 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 :

�� =_4×�_�×�_�_�� 2�

× �×�

��−�×�_�� ×�� ... (2.2) Dimana:

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

(43)

� = rasio stoikiometri oksigen ��2 = kandungan oksigen di udara R = konstanta gas ideal (J/mol0 T = suhu (

K) 0

�� = tekanan pada inlet tumpukan (Pa)

� = kelembaban relatif �� = tekanan saturasi (Pa)

Ncell = jumlah sel dalam tumpukan

Kecepatan di pintu masuk sel bahan bakar adalah :

��

=

��

��×��ℎ�� (2.3)

Dimana:

�� = laju aliran di tumpukan masuk (m³/s)

Ncell N

= jumlah sel dalam tumpukan

�� = 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/m3 �� = kecepatan rata-rata (m/s)

)

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

(44)

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 terhadap hasil perhitungan teori di mana luas lubang masuk hidrogen sebesar 50cm2. 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

(45)

• 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:

(46)

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: ��

�� = ∑��ṁ− ∑�� ṁ ... (2.6) �

��(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

�� + ρ(

�� +

��

��) = 0... (2.9)

(47)

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: ∑ � = m a dimana ax =��_��, ay =��_��, az =��_�� dan m = ρ�x�y�z maka pada:

Sumbu-x:

−��_��∂x∂y∂z + ��

�� ∂x∂y∂z + ��

�� ∂x∂y∂y + �� ρ∂x∂y∂z =

ρ∂x∂y∂z ��_�� ... (2.10) Dan disederhanakan menjadi:

−��_�� + ��_�� + ��_�� + ��_�� + ρ�_� = ρDu_�� ... (2.11)

Sumbu-y:

−��_�� ∂x∂y∂z + ��_�� ∂x∂y∂z + ��_�� ∂x∂y∂z + ��_�� ∂x∂y∂y + �_� ρ∂x∂y∂z =

ρ∂x∂y∂z ��

(48)

Dan disederhanakan menjadi: −��_�� + �� + �� + ��

�� + ρ�� = ρ

�� ... (2.13) Sumbu-z:

−��_�� ∂x∂y∂z + ��

�� ∂x∂y∂z + ��

�� ∂x∂y∂y + �� ρ∂x∂y∂z =

ρ∂x∂y∂z ��_�� ... (2.14) Dan disederhanakan menjadi:

−��_�� + ��_�� + ��_�� + ��_�� + ρ�_� = ρDw_�� ... (2.15)

Bentuk ρDu �� =

∂(ρu)

∂� + �uV ; ρ

�� = ∂(ρv)

∂� + �vV dan ρ

�� = ∂(ρw )

∂� + �wV sehingga persamaan (2.11), (2.13) dan (2.15) dapat disubsitusi menjadi:

−��_�� + ��

�� + ��

�� + ρ�� = ∂(ρu)

∂� + �uV ... (2.16) −��_�� + ��_�� + ��_�� + ��_�� + ρ�_� = ∂(_∂�ρv) + �vV ... (2.17) −��_�� + ��

�� + ��

�� + ρ�� = ∂(ρw )

∂� + �wV ... (2.18)

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

σxx = μ + 2 μ��_�� ... (2.19) σyy = μ + 2 μ��_�� ... (2.20) σzz = μ + 2 μ

��

�� ... (2.21)

τxy = τyz = μ [

�� +

��

��] ... (2.22)

τxz = τzx = μ [��_�� + ��_��] ... (2.23) τyz = τzy = μ [��_�� + ��_��] ... (2.24)

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

�� − �� − �� ) + �� ( �� + �� ) + �� ( �� + ��

(49)

Sumbu-y: �(��) �� + �(��) �� + �(��) �� + �(��) �� = − �� + �� (2

�� − �� − �� ) + �� ( �� + �� ) + �� ( �� + ��

��) + ρfyR ... (2.26)

Sumbu-z: �(��) �� + �(��) �� + �(��) �� + �(��) �� = − �� + �� (2

�� − �� − �� ) + �� ( �� + �� ) + �� ( �� + ��

��) + ρfzR ... (2.27)

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)

(50)

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

qx = −k��_�� ; qy = −k��_��; qz = −k��_�� dan V = u+v+w Subsitusikan pada persamaan (2.30) sehingga menjadi:

Q = [ρq + �

��(k �� ) + � ��(k �� ) + � ��(k ��

��)] δV ... (2.31)

Dan untuk rata-rata kerja (W) maka kembali digunakan persamaan momentum dan hasilnya akan menjadi sebagai berikut:

W = [−(ρV) +_�� (u�_�� + v�_�� + w�_��) + _�� (u�_�� + v�_�� + w�_��)]δV + [_�� (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

(51)

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:

(52)

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:

(53)

(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)

(54)

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 :

• 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:

(55)

Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi

(56)

BAB III

METODOLOGI

3.1 Metodologi Pengujian

Pengujian sel bahan bakar dilakukan di laboratorium Teknik Pendingin USU Fakultas Teknik Sumatera Utara. Metodologi yang digunakan dalam pengujian adalah metode analisis. Analisis yang dilakukan adalah perhitungan manual dan simulasi dengan perangkat lunak CFD. Digunakan perangkat lunak CFD karena perangkat lebih mudah dalam pengoperasian dan lebih umum digunakan untuk mensimulasikan aliran fluida. Selain itu perangkat lunak ini juga dapat membentuk objek, mesh, dan memunculkan gambar simulasi beserta parameternya.

3.2 Bahan Pengujian

Bahan yang digunakan saat pengujian adalah : 1. Air Murni

Digunakan sebagai bahan baku yang di hidrolisis menggunakan hydrofill untuk menghasilkan hidrogen murni yang pada akhirnya digunakan sebagai bahan bakar untuk sel bahan bakar. Gambar 3.1 menunjukkan gambar air murni:

Gambar 3.1 Air Murni

2. Serbuk Asam

Serbuk Asam yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis serbuk asam apel. Serbuk asam digunakan agar performa dari hydrofill pada saat menghidrolisa air murni menjadi hidrogen murni tetap terjaga. Gambar 3.2 menunjukkan gambar serbuk asam:

(57)

Gambar 3.2 Serbuk Asam

3. Ionizer

Digunakan untuk membantu proses hidrolisa air murni menjadi molekul oksigen (O2)

dan hidrogen (H2). Gambar 3.3 menunjukkan gambar ionizer:

Gambar 3.3 Ionizer

3.3 Peralatan Pengujian

Adapun beberapa peralatan pengujian yang digunakan adalah :

1. Tumpukan Sel Bahan Bakar

Sel bahan bakar ini merupakan peralatan yang digunakan untuk menghasilkan listrik setelah dialirkan hidrogen murni hasil elektrolisis. Berikut ini adalah spesifikasi sel bahan bakar yang dikeluarkan oleh Horizon selaku perusahaan manufakturnya:

(58)

Jumlah sel : 13

Tenaga rata-rata : 20W

Performa : 7,8V @2.6A

Tegangan katup pembersih : 6V

Tegangan kipas : 5V

Reaktan : hidrogen dan air

Temperatur eksternal : 50C -300 Temperatur maksimum tumpukan : 55

Tekanan hidrogen : 0.45 – 1.1 bar

Kemurnian hidrogen : ≥99.995% H

Berat (dengan kipas dan rangka) : 275gram (±30 gram)

Pengendali : 90 gram (±10 gram)

Laju Aliran : 0.23 l/min

Gambar tumpukan sel bahan bakar ditunjukkan pada gambar 3.4 yaitu:

Gambar 3.4 Tumpukan Sel Bahan Bakar

2. Hydrofill

Hydrofill berfungsi sebagai alat untuk menghidrolisis H2O dari air murni menjadi

molekul H2 (hidrogen murni) dan O2

Air yang masuk : Hanya air destilasi

. Berikut ini adalah spesifikasi dari hydrofill

yang dikeluarkan oleh Horizon selaku perusahaan manufakturnya:

(59)

Kemurnian : 99.99 %

Tegangan masuk : DC : 2.5 V – 3.3 V Tenaga rata-rata : ≤ 23W

Tekanan keluar hidrogen : 0 – 3.3 Mpa

Dimensi : 145 x 208 x 153 mm

Berat : 1.8kg ± 5%

Sumber tenaga : 110 – 240 VAC / 50 – 60 Hz

Gambar hydrofill ditunjukkan pada gambar 3.5 yaitu:

Gambar 3.5 Hydrofill

3. Hydrostik

Hydrostik merupakan salah satu tabung yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan

hidrogen murni hasil hidrolisis air murni yang dilakukan oleh hydrofiil. Hydrostick

disambungkan ke dalam hydrofill dan saat hidrolisis air berlangsung, hidrogen akan disimpan ke dalam hydrostick. Berikut ini adalah spesifikasi dari hydrostik yang dikeluarkan oleh Horizon selaku perusahaan manufakturnya:

Kapasitas : 10 L Hidrogen

Ukuran : ɸ22 x 85mm

Material Penyimpanan : Metal hydride

(60)

Gambar hydrostick ditunjukkan pada gambar 3.6 yaitu:

Gambar 3.6 Hydrostick

4. Multitester

Multitester berfungsi sebagai alat untuk mengukur arus hambatan, tegangan, dan arus yang dihasilkan setelah sel bahan bakar beroperasi. Spesifikasi dari multitester yang dikeluarkan oleh perusahaan manufakturnya adalah :

Tegangan DC

Jangkauan : 0.1 – 0.5 – 2.5 – 10 – 50 – 250 – 1000V Akurasi : 5;(1000V;5)

Sensivitas : 20k Ω/V

Tegangan AC

Jangkauan : 10 – 50 – 250 – 1000V Akurasi : 5;(1000V;5)

Sensivitas : 9k Ω/V

(61)

BERAT : 280g

Gambar multitester ditunjukkan pada gambar 3.7 yaitu:

Gambar 3.7 Multitester

5. Komputer

Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Agilient 34972a. Berikut spesifikasi dari perusahaan manufakturnya adalah:

Processor : Intel core 2 duo (2.0 GHz)

Daya Tampung : 160 GB

Memory : 1 GB DDR2

(62)

Gambar 3.8 Komputer

6. Agilient 34972a

Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya,setelah itu data temperatur akan disimpan ke dalam flash disk

yang terhubung pada alat ini, setelah itu dipindahkan ke komputer untuk dapat di olah datanya. Gambar 3.9 menunjukkan gambar Agilent 34972a:

Gambar 3.9 Agilent

Dengan spesifikasi yang dikeluarkan oleh perusahaan manufakturnya:

a. Daya 35 Watt

b. Jumlah Saluran termokopel 20 buah c. Tegangan 250 Volt

d. Mempunyai 3 saluran utama

(63)

f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem control

g. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel,RTD dan Termistor,arus listrik AC

7. Cooling Pad

Digunakan sebagai alat ujicoba untuk mengetahui apakah tegangan yang dihasilkan dari sel bahan bakar dapat menggerakkan 2 kipas yang terdapat pada Cooling Pad

dengan tegangan yang dibutuhkan pada masing – masing kipas adalah 5V. Gambar 3.10 menunjukkan gambar cooling pad:

Gambar 3.10 Cooling Pad

8. Aplikasi CFD

CFD merupakan singkatan dari Computational Fluid Dynamic yaitu sebuah program yang memungkinkan penggunanya untuk menganalisa dinamika fluida. Alasan penulis memilih perangkat lunak ini karena perangkat lunak ini lebih umum digunakan dalam melakukan analisa fluida, perangkat lunak ini juga telah lama digunakan oleh NASA untuk menganalisa masalah fluida pada kapal ruang aliknya sejak tahun 1950an sehingga aplikasi ini telah dikembangkan sejak lama. Hasilnya tingkat keakuratan daripada aplikasi ini dapat lebih dipercaya. Selain itu banyak perusahaan yang menggunakan perangkat lunak ini untuk menganalisa masalah fluida seperti NASA, Boeing, McDonnell Aircraft.

(64)

Adapun kelebihan daripada perangkat lunak ini adalah lebih mudah dioperasikan, lebih mudah diperoleh aplikasinya karena telah umum digunakan, hasilnya juga lebih akurat karena melalui pengembangan yang cukup lama. Adapun kekurangan daripada perangkat lunak ini adalah untuk hasil yang lebih akurat dibutuhkan komputer dengan spesifikasi yang tinggi, untuk beberapa jenis simulasi dibutuhkan parameter dan kondisi batas tambahan agar simulasinya dapat berjalan dengan lancar.

Dan CFD ini sendiri terdiri dari Gambit dan Fluent. Program gambit ini bertujuan dalam pembentukan dan pemberian mesh pada objek sehingga objek siap untuk dianalisa dengan menggunakan program selanjutnya yaitu fluent. Gambar 3.11 menunjukkan tampilan daripada program gambit yaitu:

Gambar 3.11 Tampilan Gambit

Program fluent ini sendiri merupakan aplikasi yang bertujuan untuk mensimulasikan aliran setelah objek dibentuk dan di mesh menggunakan program gambit. Dan dengan menggunakan aplikasi fluent ini maka akan dimunculkan gambar mengenai laju aliran yang dialami objek. Gambar 3.12 menunjukkan tampilan daripada aplikasi fluent:

(65)

Gambar 3.12 Tampilan Fluent

3.4Experimental Setup

Aquadest, acid powder dan ionizer dimasukkan ke dalam hydrofill. Kemudian hydrostik dipasangkan ke hydrofill. Lampu indikator akan berwarna merah yang menunjukkan bahwa hydrostik sedang diisi. Selama proses hydrolisis, kabel termocouple yang merupakan kabel penghubung dari agilient dihubungkan ke hydrofill untuk diambil data suhu selama proses hydrolisis. Proses hydrolisis ini berlangsung sekitar 2.5 jam. Data-data yang didapat akan disimpan secara otomatis ke dalam flashdisk yang telah terhubung pada agilient. Setelah data selesai disimpan maka flashdisk dipindahkan ke laptop untuk diolah datanya dengan excel. Gambar 3.13 menunjukkan experimental setup yang dilakukan pada saat proses hydrolisis.

Gambar 3.13 Experimental Setup Pada Saat Proses Hydrolisis

Komputer

Flashdisk

Agilent

Termokopel Serbuk Asam

Air Murni

Ionizer

Hydrofill Hydrostic

(66)

Setelah hydrostik penuh yang ditandai dengan berubahnya lampu indikator pada hydrofill menjadi hijau, maka kemudian hydrostik dilepaskan dari hydrofill lalu dihubungkan ke tumpukan sel bahan bakar. Controller dihubungkan ke tumpukan dan ke cooling pad yang menjadi output dalam pengujian ini. Flashdisk dihubungkan kembali ke agilient. Kabel – kabel termocouple dihubungkan pada permukaan hydrostik, lubang input dan lubang output yang terdapat pada tumpukan sel bahan bakar. Saat hydrostik dihubungkan ke tumpukan maka sel bahan bakar akan beroperasi menghasilkan listrik dan menyalakan sebuah cooling pad. Setelah sel bahan bakar beroperasi secara penuh dan hidrogen yang terdapat di dalam hydrostik habis, flashdisk dicabut dan dibaca menggunakan excel untuk mengetahui temperatur pada kondisi saat pengoperasian. Gambar 3.14 menunjukkan experimental setup yang dilakukan pada saat pengoperasian sel bahan bakar yang menyalakan cooling pad.

Gambar 3.14 Experimental Setup Pada Saat Proses Pengoperasian

3.5. Prosedur Pengujian

Adapun prosedur pengujian yang akan dilakukan adalah :

1. Acid Powder dituangkan ke dalam hydrofill kemudian dimasukkan aquadest lalu

dimasukkan ionizer.

2. Setelah acid powder, aquadest, dan ionizer dimasukkan lalu hydrostik dihubungkan ke hydrofill.

3. Pada saat pengisian hidrogen ke dalam hydrostik ini, dilakukan pengambilan data suhu air dengan menggunakan agilient 39472a.

Komputer

Flashdisk

Agilent

Termokopel

Cooling Pad

Controller

Purging Valve Tumpukan

(67)

4. Data yang didapat akan tersimpan otomatis ke dalam flashdisk yang kemudian diolah dengan excel pada laptop.

5. Setelah hydrostik penuh, lampu yang terdapat pada hydrofill berubah menjadi hijau dari yang sebelumnya berwarna merah.

6. Hydrostik selanjutnya dihubungkan ke tumpukan sel bahan bakar yang dihubungkan

ke cooling pad dan menghasilkan tegangan 10 volt.

7. Pada saat pengoperasian fuel cell, dilakukan pengambilan data temperatur hydrostik,

temperatur inlet, temperatur outlet yang terdapat pada tumpukan dengan menggunakan agilient 39472a.

8. Data yang didapat juga akan tersimpan otomatis ke dalam flashdisk yang kemudian diolah dengan excel pada laptop.

Gambar 3.15 menunjukkan diagram alir dari tahapan proses yang dilakukan pada percobaan skripsi ini:

Gambar 3.15 Diagram Alir Percobaan Skripsi

3.6 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Secara Teori

(68)

Tabel 3.1 Parameter Asumsi Kecepatan Aliran

Parameter Asumsi Nilai

Arus sel (I) 0,7 A/cm2

Konstanta Faraday (F) 96485 Joule Rasio stoikiometri oksigen (S) 1

Kandungan oksigen di udara (ro2) 0,21

Konstanta gas ideal (R) 8,314 J/mol 0 Tekanan masuk (P

in) 101325 Pa

Kelembaban relatif (φ) 1

Tekanan saturasi (Psat) 19944 Pa

Setelah parameter asumsi telah di asumsi maka berikut parameter yang diperoleh dari hasil pengukuran

Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran

Parameter Pengukuran Nilai

Temperatur (T) 2980K

Jumlah sel pada stack (Ncell) 13

Jumlah saluran paralel (Nch) 6

Lebar saluran (Wc) 0,6 cm

Kedalaman saluran (dc) 5 cm

Setelah parameter telah diketahui maka perhitungan sudah dapat dilakukan. Laju aliran pada pintu masuk stack sel bahan bakar :

�� =_{4 ×}� _�×�_�� 2

�× �×�

�� − �×�� ×��

�� =

4 × 96485×� 1 0.21�×�

8,314 × 298

101325−(1 × 19944)�× 13 �� = 3.41815. 10−4�³/�= 341.815 ��³/�

(69)

Kecepatan di pintu masuk sel bahan bakar adalah :

��= ��

�� ×��ℎ�� =

341.815

13 × 6 × 0,6 � 5= 1,46 ��

� = 0,0146 �

�

Dari hasil perhitungan teori, kecepatan di pintu masuk sel bahan bakar sebesar 0,0146 m/s.

3.7 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Menurut Simulasi

Yang pertama sekali dilakukan yaitu pembentukan dan pemberian mesh pada objek agar dapat disimulasikan dengan program fluent. Dan langkah dalam pembentukan dan pemberian mesh pada objek yaitu dengan menggunakan program gambit sebagai berikut:

1. Menentukan solver pada aplikasi gambit menjadi fluent 5/6 dan menentukan titik-titik koordinat. Titik-titik koordinat seperti yang terlampir pada lampiran A dan lampiran B. Setelah semua koordinat dimasukkan maka semuanya disambungkan satu sama lain sehingga akan terbentuk objeknya. Gambar 3.16 menunjukkan titik koordinat yang dihubung

Gambar 3.16 Penghubungan Titik Koordinat

Setelah semua titik koordinat terhubung maka berikut beberapa sudut pandang dari objek seperti pada tabel 3.3

(70)

Pandangan Gambar Depan

Dari gambar pandangan depan, hidrogen masuk melalui sisi kanan yaitu pada pipa masuk pada ruang alir dan keluar pada sisi kiri yaitu pada pipa keluar pada ruang alir

Belakang

Dari gambar pandangan belakang, hidrogen masuk melalui sisi kiri yaitu pada pipa masuk pada ruang alir dan keluar pada sisi kanan yaitu pada pipa keluar pada ruang alir

Pandangan Gambar

Kiri

Masuk h2

Keluar h2

Masuk h2

(71)

Dari gambar pandangan kiri, hanya tampak tempat keluarnya hidrogen dari ruang alir

Kanan

Dari gambar pandangan kanan, hanya tampak tempat masuknya hidrogen menuju ruang alir

Pandangan Gambar

(72)

Atas

Dari gambar pandangan atas tampak h1, h2, h3, v1, v2, v3, v4, v5 dan v6. Dimana:

h1 merupakan baris pertama dari pandangan atas h2 merupakan baris kedua dari pandangan atas h3 merupakan baris ketiga dari pandangan atas v1 merupakan kolom pertama dari pandangan atas v2 merupakan kolom kedua dari pandangan atas v3 merupakan kolom ketiga dari pandangan atas v4 merupakan kolom keempat dari pandangan atas v5 merupakan kolom kelima dari pandangan atas v6 merupakan kolom keenam dari pandangan atas Bawah

Pada pandangan bawah, posisi baris berubah posisinya menjadi kebalikan daripada pandangan atas sedangkan untuk posisi kolom tetap sama seperti pada pandangan atas

Pandangan Gambar

Perspektif

h h h

v1 v2 v3 v4 v5 v6

v2 _v3 v4 _v5 _v6

(73)

Pada pandangan perspektif tampak keseluruhan dari pada objek. Dan pada pandangan perspektif ini juga tampak tempat masuk dan tempat keluar hidrogen dari ruang alir.

2. Setelah objek siap dibentuk maka objek di-mesh dengan cara objek dipilih secara keseluruhan dan dipilih elemen dan tipe dari jenis mesh. Elemen yang digunakan ialah jenis hex dan tipenya adalah stairstep. Alasan pemilihan elemen dan tipe jenis ini di karenakan keterbatasan alat untuk melakukan mesh pada objek.Fungsi dari operasi mesh

pada objek agar objek dipisahkan menjadi bagian-bagian kecil sehingga hasil simulasi oleh aplikasi selanjutnya menjadi akurat. Berikut gambar 3.17 menunjukkan proses mesh

pada objek

(74)

Gambar 3.17 Proses Mesh Objek

Setelah objek siap dilakukan operasi mesh maka pada gambar 3.18 akan ditunjukkan objek yang telah siap proses mesh-nya

Gambar 3.18 Objek yang Telah di-Mesh

3. Setelah objek siap di mesh maka objek diberikan batasan. Fungsi dari batasan ini agar aplikasi mengenali sumber masuknya hidrogen ke dalam saluran, keluarnya hidrogen dari saluran dan juga dinding daripada saluran. Dan berikut gambar 3.19 yang menunjukkan batasan yang dimasukkan dalam aplikasi

(75)

Gambar 3.19 Batasan Objek

4. Setelah objek telah dibatasi maka objek siap untuk di export. Fungsi dari export ini agar tipe file dari hasil simulasi gambit berubah sehingga dapat disimulasikan lebih lanjut dengan menggunakan aplikasi fluent. Gambar 3.20 menunjukkan export dari objek

Gambar 3.20 Export Objek

Setelah objek di export maka objek dapat di simulasikan dengan menggunakan program fluent. Dan langkah simulasi pada objek dengan menggunakan program fluent sebagai berikut:

1. Dalam aplikasi fluent, objek yang sebelumnya di bentuk pada aplikasi gambit perlu di skalakan terlebih dahulu agar dimensinya sama dengan dimensi objek yang sebenarnya karena pada aplikasi gambit objek tidak memiliki skala. Cara menskalakan objek pada aplikasi fluent yaitu dengan dipilih satuan dimensinya dan dipilih tombol penskalaan sehingga aplikasi dengan sendiri akan menskalakan ukurannya. Dan gambar 3.21 menunjukkan cara penskalaan objek

(76)

Gambar 3.21 Penskalaan Objek

2. Menentukan hal-hal yang berlaku pada objek misalnya seperti bentuk penyelesaiannya dan penentuan ini berguna agar aplikasi bekerja sesuai dengan apa yang telah ditentukan si pembuat simulasi sehingga hasil simulasi yang muncul nantinya diharapkan sesuai dengan apa yang diinginkan oleh si pengguna simulasi. Cara memasukkan bentuk penyelesaiannya yaitu dengan memilih penyelesaian apa yang akan digunakan oleh aplikasi untuk mensimulasikan. Dan gambar 3.22 menunjukkan cara pemilihan bentuk penyelesaiannya

Gambar 3.22 Bentuk Penyelesaian Fluent

3. Menentukan fluida yang mengalir didalam objek. Dan fluida yang mengalir di dalam objek ialah fluida hidrogen. Fungsi penentuan jenis fluida ini agar aplikasi dapat menggunakan sifat fisik fluida dalam mensimulasikan sehingga hasil simulasi dapat mendekati keadaan yang sebenarnya terjadi untuk fluida hidrogen. Cara memilih jenis fluida pada aplikasi ini yaitu dengan memilih fluida yang telah tersimpan dalam aplikasi.

(1)

LAMPIRAN B

Titik Koordinat Arcus untuk aplikasi gambit:

Titik Arcus Koordinat Arcus

1 (3,6,8)

2 (3,0,8)

3 (6,3,8)

4 (0,3,8)

5 (3,50,18)

6 (0,47,18)

7 (6,47,18)

8 (3,44,18)

9 (8,3,20)

10 (8,0,23)

11 (8,6,23)

12 (8,3,26)

13 (13,44,18)

14 (10,47,18)

15 (16,47,18)

16 (13,50,18)

17 (13,6,8)

18 (10,3,8)

19 (16,3,8)

20 (13,0,8)

21 (18,47,0)

22 (18,50,3)

23 (18,44,3)

24 (18,47,6)

25 (23,0,8)

26 (20,3,8)

27 (26,3,8)

28 (23,6,8)

29 (23,50,18)

30 (20,47,18)

31 (26,47,18)

32 (23,44,18)

33 (28,3,20)

34 (28,0,23)

35 (28,6,23)

36 (28,3,26)

37 (33,44,18)

38 (30,47,18)

39 (36,47,18)

40 (33,50,18)

41 (33,6,8)

42 (30,3,8)

43 (36,3,8)

Titik Arcus Koordinat Arcus

44 (33,0,8)

(2)

45 (38,47,0)

46 (38,50,3)

47 (38,44,3)

48 (38,47,6)

49 (43,0,8)

50 (40,3,8)

51 (46,3,8)

52 (43,6,8)

53 (43,50,18)

54 (40,47,18)

55 (46,47,18)

56 (43,44,18)

57 (48,3,20)

58 (48,0,23)

59 (48,6,23)

60 (48,3,26)

61 (53,44,18)

62 (50,47,18)

63 (56,47,18)

64 (53,50,18)

65 (53,6,8)

66 (50,3,8)

67 (56,3,8)

(3)

LAMPIRAN C

Suhumasuk dan keluar tumpukansel bahan bakar pengoperasian tanggal 26 Mei 2012 Waktu Suhu Masuk (oC) Suhu Keluar (oC) 05/26/2012 13:53:35:700 29.69 29.60 05/26/2012 13:54:05:685 29.48 29.42 05/26/2012 13:54:35:711 29.37 29.57 05/26/2012 13:55:05:687 29.51 29.63 05/26/2012 13:55:35:691 29.70 29.72 05/26/2012 13:56:05:720 29.87 30.01 05/26/2012 13:56:35:685 30.04 30.25 05/26/2012 13:57:05:685 30.23 30.48 05/26/2012 13:57:35:730 30.42 30.50 05/26/2012 13:58:05:724 30.58 30.70 05/26/2012 13:58:35:706 30.64 30.95 05/26/2012 13:59:05:685 30.67 31.02 05/26/2012 13:59:35:716 30.69 31.01 05/26/2012 14:00:05:698 30.70 31.16 05/26/2012 14:00:35:700 30.94 31.30 05/26/2012 14:01:05:696 30.89 31.32 05/26/2012 14:01:35:719 31.01 31.39 05/26/2012 14:02:05:711 31.22 31.46 05/26/2012 14:02:35:691 31.19 31.60 05/26/2012 14:03:05:685 31.17 31.66 05/26/2012 14:03:35:720 31.39 31.64 05/26/2012 14:04:05:689 31.35 31.66 05/26/2012 14:04:35:685 31.40 31.76 05/26/2012 14:05:05:685 31.59 31.92 05/26/2012 14:05:35:725 31.57 31.83 05/26/2012 14:06:05:728 31.71 31.95 05/26/2012 14:06:35:709 31.78 31.95 05/26/2012 14:07:05:685 31.67 31.91 05/26/2012 14:07:35:685 31.77 32.01 05/26/2012 14:08:05:719 31.54 31.76 05/26/2012 14:08:35:701 31.64 31.91 05/26/2012 14:09:05:721 31.69 32.04 05/26/2012 14:09:35:701 31.86 32.17 05/26/2012 14:10:05:695 31.80 32.20 05/26/2012 14:10:35:719 32.07 32.28 05/26/2012 14:11:05:695 32.16 32.39

(4)

LAMPIRAN D

Suhumasuk dan keluar tumpukansel bahan bakar pengoperasian tanggal 30 Mei 2012 Waktu Suhu Masuk (oC) Suhu Keluar (oC) 05/30/2012 12:21:28:976 28.04 28.03 05/30/2012 12:22:28:974 28.30 28.19 05/30/2012 12:23:28:961 28.63 28.56 05/30/2012 12:24:28:960 29.03 28.97 05/30/2012 12:25:29:011 29.48 29.67 05/30/2012 12:26:28:991 30.14 30.20 05/30/2012 12:27:29:017 30.40 30.43 05/30/2012 12:28:29:010 30.58 30.78 05/30/2012 12:29:29:011 30.69 30.89 05/30/2012 12:30:29:009 30.80 31.06 05/30/2012 12:31:28:998 30.71 31.08 05/30/2012 12:32:28:988 30.75 31.07 05/30/2012 12:33:28:988 30.78 30.96

(5)

LAMPIRAN E

Suhumasuk dan keluar tumpukansel bahan bakar pengoperasian tanggal 4 Juni 2012 Waktu Suhu Masuk (oC) Suhu Keluar (oC) 06/04/2012 12:10:20:240 27.89 27.75 06/04/2012 12:10:50:249 27.87 27.81 06/04/2012 12:11:20:225 28.18 27.86 06/04/2012 12:11:50:250 28.24 28.14 06/04/2012 12:12:20:251 28.38 28.35 06/04/2012 12:12:50:274 28.72 28.38 06/04/2012 12:13:20:273 28.86 28.58 06/04/2012 12:13:50:256 29.31 28.80 06/04/2012 12:14:20:266 29.46 29.00 06/04/2012 12:14:50:269 29.67 29.01 06/04/2012 12:15:20:231 29.87 29.16 06/04/2012 12:15:50:246 30.08 29.31 06/04/2012 12:16:20:234 30.18 29.37 06/04/2012 12:16:50:226 30.32 29.60 06/04/2012 12:17:20:277 30.42 29.70 06/04/2012 12:17:50:260 30.54 29.67 06/04/2012 12:18:20:259 30.67 29.74 06/04/2012 12:18:50:234 30.66 29.95 06/04/2012 12:19:20:262 30.78 29.99 06/04/2012 12:19:50:249 30.80 30.00 06/04/2012 12:20:20:275 30.97 30.03 06/04/2012 12:20:50:260 31.04 30.04 06/04/2012 12:21:20:248 31.02 30.23 06/04/2012 12:21:50:243 31.10 30.22 06/04/2012 12:22:20:271 31.19 30.20 06/04/2012 12:22:50:260 31.24 30.25 06/04/2012 12:23:20:228 31.18 30.23 06/04/2012 12:23:50:260 31.23 30.23 06/04/2012 12:24:20:252 31.24 30.29 06/04/2012 12:24:50:234 31.26 30.26 06/04/2012 12:25:20:260 31.29 30.31 06/04/2012 12:25:50:255 31.25 30.48 06/04/2012 12:26:20:236 31.26 30.40 06/04/2012 12:26:50:227 31.23 30.49 06/04/2012 12:27:20:277 31.26 30.51 06/04/2012 12:27:50:259 31.27 30.44 06/04/2012 12:28:20:229 31.16 30.38

(6)

LAMPIRAN F

Suhumasuk dan keluar tumpukansel bahan bakar pengoperasian tanggal 26 Mei 2012 Waktu Suhu Masuk (oC) Suhu Keluar (oC) 06/12/2012 12:29:50:263 30.87 30.26 06/12/2012 12:30:20:254 30.77 30.25 06/12/2012 12:30:50:229 30.67 30.18 06/12/2012 12:31:20:236 30.63 30.07 06/12/2012 12:31:50:233 30.44 29.95 06/12/2012 12:32:20:251 30.44 29.93 06/12/2012 12:32:50:247 30.35 29.91 06/12/2012 12:33:20:233 30.34 30.05 06/12/2012 12:33:50:263 30.28 29.96 06/12/2012 12:34:20:229 30.36 29.78 06/12/2012 12:34:50:259 30.31 29.96 06/12/2012 12:35:20:242 30.35 29.87 06/12/2012 12:35:50:276 30.31 29.98 06/12/2012 12:36:20:236 30.40 29.98 06/12/2012 12:36:50:274 30.56 30.05 06/12/2012 12:37:20:246 30.68 30.31 06/12/2012 12:37:50:230 30.92 30.53 06/12/2012 12:38:20:225 31.11 30.54 06/12/2012 12:38:50:275 31.36 30.77 06/12/2012 12:39:20:243 31.48 30.94 06/12/2012 12:39:50:230 31.72 30.89 06/12/2012 12:40:20:239 31.79 31.00 06/12/2012 12:40:50:225 31.99 31.04 06/12/2012 12:41:20:242 31.99 31.31 06/12/2012 12:41:50:225 32.18 31.31 06/12/2012 12:42:20:267 32.31 31.36 06/12/2012 12:42:50:273 32.33 31.40 06/12/2012 12:43:20:276 32.43 31.51 06/12/2012 12:43:50:251 32.47 31.47 06/12/2012 12:44:20:242 32.51 31.53 06/12/2012 12:44:50:275 32.52 31.55 06/12/2012 12:45:20:254 32.47 31.58 06/12/2012 12:45:50:239 32.53 31.66 06/12/2012 12:46:20:273 32.61 31.61 06/12/2012 12:46:50:225 32.51 31.77 06/12/2012 12:47:20:265 32.44 31.61

Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer