Simulasi CFD Fuel Cell J101

4.2. Simulasi CFD Fuel Cell J101

Simulasi yang dilakukan terdiri dari dua tahap yaitu pembuatan geometri menggunakan softrware GAMBIT 2.4.6 dan simulasi mengguakan software

FLUENT6.3.26.. Nilai-nilai yang dimasukkan seperti dimensi, temperatur kerja, mass flow rate oksigen dan hidrogen adalah nilai yang didapat dari eksperimen. Nilai dari laju alir massa hidrogen dan oksigen nantinya dimasukkan pada boundary condition, begitu juga dengan nilai tegangan dan temperatur. Sedangkan nilai arus nantinya sebagai pembanding antara hasil eksperimen dan simulasi. Langkah pertama yang dilakukan dalam simulasi CFD adalah membuat geometri dari fuel cell. Pembuatan geometri menggunakan software GAMBIT 2.4.6. Dasar dari geometri tersebut dapat

Variasi hambatan 0,3 Ohm

dilihat dalam Gambar 4.4 dan parameter-parameter dalam membuat geometri untuk simulasi dari fuel cell J101 dapat dilihat pada Tabel 4.3.

Gambar 4.4. Tampak depan dari skema model geometri fuel cell. Tabel 4. 3. Parameter untuk membuat geometri pemodelan fuel cell.

Geometri dibuat dengan menggunakan software GAMBIT 2.4.6 dan berdasarkan pada parameter di atas. Gambar 4.5 adalah mesh dan grid dari fuel cell J101. Tipe mesh yang dipakai adalah Quadrilateral dengan jumlah elemen mesh 316.800 elemen.

Parameter

nilai

luas membran

(m 2 )

0,004

tinggi channel

(m)

0,001

lebar channel

(m)

0,0015

panjang channel

(m)

0,072

tebal membran

(m)

0,000036

tebal katalis

(m)

0,000012

tebal gas diffusion layer

(m)

0,00021

Gambar 4.5. Mesh dan grid fuel cell J101.

Langkah selanjutnya yang dilakukan adalah simulasi dengan FLUENT

6.3.26. Data-data yang dibutuhkan untuk simulasi ini berasal dari uji eksperimen. Tipe boundary condition dan continuum disesuaikan dengan Tabel 3.2 dan Tabel

3.3. Data hasil eksperimen yang digunakan untuk input pemodelan adalah geometi, temperatur, laju alir massa reaktan, dan tegangan fuel cell. Data-data tersebut dimasukkan pada boundary condition. Hasil simulasi FLUENT dari fuel cell J101 dapat dilihat pada Tabel 4.4. Kurva karakteristik I-V dan I-P antara hasil eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Gambar 4.6 dan Gambar 4.7.

Tabel 4. 4. Data hasil simulasi fuel cell J101. R (Ohm)

V (Volt)

Simulasi

I (mAmpere)

Gambar 4.6. Perbandingan kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) eksperimen dengan simulasi fuel cell J101.

Gambar 4.7 memperlihatkan bahwa hasil simulasi dan eksperimen menunjukkan hasil yang mendekati, namun tidak sepenuhnya sama. Tabel 4.5. memperlihatkan rata-rata error sebesar 4,9%.

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 500

1000

1500

2000

Arus (mA)

eksperimen h-tec eksperimen Simulasi

Gambar 4.7. Perbandingan kurva arus-daya (I-P) hasil eksperimen dan simulasi fuel cell J101

Tabel 4.5. Perbandingan data eksperimen dengan simulasi. Arus

(mAmpere)

Daya (mWatt)

Error

Eksperimen Simulasi

Arus (mA)

Eksperimen Simulasi

Perbedaan antara hasil eksperimen dan simulasi dapat disebabkan karena adanya internal current. Internal current disebabkan oleh adanya bahan bakar yang

melewati membran. Membran seharusnya hanya melewatkan ion + dari hidrogen, namun tetap dimungkinkan bahan bakar yang terdiri dai ion dan electron melewati

membran ini, sehingga dengan lewatnya bahan bakar langsung melalui membran, bahan bakar akan bereaksi tanpa menghasilkan arus.

Tabel 4.5 juga menunjukkan hasil dimana daya hasil simulasi relatif lebih besar dibandingkan dengan daya hasil eksperimen. Simulasi yang dibuat dengan sifat

se-ideal mungkin (dengan asumsi) dapat menyebabkan perbedaan ini. Hasil simulasi tidak memperlihatkan efek dari fenomena fisik seperti timbulnya gelembung air yang dapat menurunkan arus serta daya dari fuel cell yang berpengaruh terhadap daya yang dihasilkan oleh fuel cell.

Hasil simulasi dapat menunjukkan pressure drop yang terjadi pada channel baik di katoda maupun di anoda sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan Gambar 4.9.

. Gambar 4. 8. Perbandingan penurunan tekanan pada anoda dan katoda (posisi 0,0727 untuk Outlet dan posisi 0 untuk Inlet).

Posisi (m)

Anoda Katoda

Gambar 4.9. Kontur tekanan (Pa) dalam anoda dan katoda. Gambar 4.8 dan Gambar 4.9 memperlihatkan bahwa penurunan tekanan di

katoda lebih besar dibanding dengan penurunan tekanan di anoda. Perbedaan penurunan tekanan ini disebabkan karena laju alir massa di katoda lebih besar daripada di anoda. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa debit hidrogen (anoda) lebih besar dari debit oksigen (katoda), namun massa jenis dari oksigen lebih besar dibanding dengan hidrogen sehingga laju alir massa di katoda lebih besar dari laju alir massa di anoda.

Hasil penelitian sebelumnya yang meneliti tentang simulasi CFD fuel cell dengan parallel flow channel menunjukkan hal yang sama yaitu terjadi perbedaan penurunan tekanan pada channel anoda dan katoda. Channel katoda akan memiliki penurunan tekanan lebih besar dibandingkan dengan channel anoda. Tingginya penurunan tekanan pada sisi katoda dibanding dengan anoda disebabkan karena lebih tingginya mass flow rate oksigen di katoda (Lee dkk., 2008). Penurunan tekanan akan berpengaruh pada proses diffusi bahan bakar dari channel ke gas diffusion layer dan katalis. Jika penurunan tekanannya terlalu besar, maka proses difusi yang terjadi tidak merata, sehingga arus yang terukur mengalami penurunan dibandingkan dengan teoritis.

Gambar 4. 10. Perbandingan fraksi massa H 2 O terbentuk dengan variasi hambatan

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

Gambar 4.11. Kontur fraksi massa H 2 O pada variasi 0.404 volt dan 0.792 volt. Fenomena yang terjadi pada saat eksperimen dapat juga dilihat dengan

menggunakan simulasi. Fenomena tersebut yaitu perbedaan uap air yang terbentuk antara variasi hambatan besar dengan variasi hambatan kecil. Perbedaan tersebut

dapat dilihat pada Gambar 4.10. dan Gambar 4.11. Fraksi massa H 2 O yang terbentuk

pada variasi hambatan 0,3 (tegangan kecil) relatif lebih tinggi dibanding dengan fraksi massa yang terbentuk pada variasi hambatan 33,3 (tegangan besar).

Posisi (m)