Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER SKRIPSI

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

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 FRANS

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.

  Kata kunci : Sel bahan bakar, Membran Elektrolit Polimer, CFD (Computational Fluid Dynamic)

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,

Key Word : Fuel Cell , PEM (Polymer Electrolyte Membrane), CFD (Computational Fluid Dynamic)

  DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ......................................................................................................... i ABSTRAK ........................................................................................................................... iii ABSTRACT .......................................................................................................................... iv

  2.1.1 Pengenalan Sel Bahan Bakar .............................................................. 4

  3.1 Metodologi Pengujian .................................................................................. 37

  BAB III METODOLOGI ........................................................................................... 37

  2.6.3 Bidang Aplikasi CFD ......................................................................... 31

  2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran ............................................................. 25

  2.6.1 Alur Kerja CFD .................................................................................. 24

  2.6 CFD (Computational Fluid Dynamic) .......................................................... 24

  2.5 Kecepatan Pada Ruang Alir .......................................................................... 21

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

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

  2.2 Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar ......................................................................... 10

  2.1.4 Sejarah Sel Bahan Bakar .................................................................... 8

  2.1.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar ............................................................. 5

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

  2.1 Sel Bahan Bakar ........................................................................................... 4

  DAFTAR ISI ........................................................................................................................ v DAFTAR TABEL ................................................................................................................ vii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... viii

DAFTAR SIMBOL x

  2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................... 4

  1.6 Sistematika Penulisan

  2

  1.5 Manfaat Penelitian

  2

  1.4 Batasan Masalah

  1

  1.3 Tujuan Penelitian

  1

  1.2 Identifikasi Masalah

  1

  1.1 Latar Belakang

  BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

  3.2 Bahan Pengujian ........................................................................................... 37

  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 LAMPIRAN ......................................................................................................................... 75

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer .................. 14Tabel 3.1 Parameter Asumsi Kecepatan Aliran ..................................................................... 51Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran .............................................................. 51Tabel 3.3 Gambar Pandangan Objek ..................................................................................... 53Tabel 3.4 Gambar Hasil Simulasi Objek ............................................................................... 63Tabel 3.5 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Teori ........................................................ 67Tabel 3.6 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Teori ................................................. 68Tabel 3.7 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Simulasi ................................................... 69Tabel 3.8 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Simulasi ............................................ 69

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Portabel ................................... 6Gambar 2.2 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Transportasi ............................... 7Gambar 2.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Stasioner .................................... 8Gambar 2.4 Sejarah Sel Bahan Bakar................................................................................ 9Gambar 2.5 Komponen Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar ............................................... 13Gambar 2.6 Ruang Alir Paralel .......................................................................................... 15Gambar 2.7 Ruang Alir Serpentine .................................................................................... 16Gambar 2.8 Ruang Alir Wavy ............................................................................................. 17Gambar 2.9 Ruang Alir Obligue ......................................................................................... 17Gambar 2.10 Koil dengan outside inlet dan outlet ............................................................. 18Gambar 2.11 Koil dengan inside inlet dan outlet ................................................................ 19Gambar 2.12 Koil dengan Serpentine .................................................................................. 19Gambar 2.13 Koil dengan Serpentine Ganda ...................................................................... 20Gambar 2.14 Diagram Alir Alur Kerja CFD ....................................................................... 25Gambar 2.15 Elemen Fluida untuk Konservasi Massa ......................................................... 26Gambar 2.16 Elemen Fluida untuk Konservasi Momentum ................................................ 27Gambar 2.17 Fluks Panas pada Permukaan dari Elemen Fluida .......................................... 29Gambar 2.18 Perhitungan Aerodinamik dengan Program CFD .......................................... 32Gambar 2.19 Perhitungan Hidrodinamik dengan Program CFD ........................................ 32Gambar 2.20 Analisa dengan Program CFD ....................................................................... 33Gambar 2.21 Perhitungan Sirip Pompa dengan Program CFD ........................................... 34Gambar 2.22 Analisa Aliran pada Papan Elektronik ............................................................ 34Gambar 2.23 Temperatur akibat Proses Pengadukan ........................................................ 35Gambar 2.24 Perhitungan Ketahanan Bangunan dengan Program CFD ............................. 35Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi ................................................................................ 36Gambar 3.1 Air Murni ..................................................................................................... 37Gambar 3.2 Serbuk Asam .................................................................................................. 38Gambar 3.3 Ionizer ............................................................................................................ 38Gambar 3.4 Tumpukan Sel Bahan Bakar .......................................................................... 40Gambar 3.5 Hydrofill ......................................................................................................... 41Gambar 3.6 Hydrostick ...................................................................................................... 42Gambar 3.7 Multitester ...................................................................................................... 43Gambar 3.8 Komputer ....................................................................................................... 44Gambar 3.9 Agilent ............................................................................................................ 44Gambar 3.10 Cooling Pad ................................................................................................... 45Gambar 3.11 Tampilan Gambit ........................................................................................... 46Gambar 3.12 Tampilan Fluent ............................................................................................. 47Gambar 3.13 Experimental Setup Pada Saat Proses Hydrolisis .......................................... 48Gambar 3.14 Experimental Setup Pada Saat Proses Pengoperasian .................................... 49Gambar 3.15 Diagram Alir Percobaan Skripsi .................................................................... 50Gambar 3.16 Penghubungan Titik Koordinat ....................................................................... 52Gambar 3.17 Proses Mesh Objek ........................................................................................ 57Gambar 3.18 Objek yang Telah di-Mesh ............................................................................. 57Gambar 3.19 Batasan Objek ................................................................................................ 58Gambar 3.20 Export Objek .................................................................................................. 58Gambar 3.21 Penskalaan Objek ........................................................................................... 59Gambar 3.22 Bentuk Penyelesaian Fluent ........................................................................... 59Gambar 3.23 Material Objek ............................................................................................... 60Gambar 3.24 Kondisi Operasi Objek................................................................................... 61Gambar 3.25 Kondisi Batas Objek ...................................................................................... 61Gambar 3.26 Kontrol Solusi ................................................................................................ 62

DAFTAR SIMBOL Simbol Arti

  Laju Aliran Massa kg/s M H20 M

  Lebar Saluran m

  W Kerja Nm

  V Kecepatan Masuk Stack m/s w Kecepatan pada sumbu-y m/s w c

  T Temperatur u Kecepatan pada sumbu-x m/s K v Kecepatan pada sumbu-y m/s

  S Rasio Stoikiometri Oksigen - K

  R Konstanta Gas Ideal J/mol Kandungan Oksigen di Udara -

  Qstack Laju Aliran Masuk Stack m ^{2 3} r /s _o2

  Tekanan Masuk Pa q x Fluks Panas pada sumbu-x W/m q ^{2 y Fluks Panas pada sumbu-y W/m} q ^{2 z Fluks Panas pada sumbu-z W/m}

  P in Psat Tekanan Saturasi Pa

  P Tekanan Pa

  Molekul Air - _udara Ncell Jumlah sel

  K ṁ

  Satuan

  k Konduktivitas Termal W/m ² m Massa kg

  Body Force pada sumbu-z N/kg

  I Arus Tumpukan A/cm

  Body Force pada sumbu-y N/kg _z

  f

  Body Force pada sumbu-x N/kg _y

  N F Konstanta Faraday J f _x f

  Diameter Hidrolik m F Gaya

  Ė Perubahan Energi Dalam J

  D Kedalaman Saluran m _H

  C Kapasitas Panas J/ d K _c

• Molekul Udara -

  Huruf Yunani Simbol Arti Satuan

  Massa Jenis kg/m ρ ^{3 CFD Massa Jenis Pada CFD kg/m}

  μ Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik kg/ms ³ μ CFD

  CFD kg/ms

  Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik pada σ xx Tegangan Normal pada sumbu-x N/m σ ^{2 yy Tegangan Normal pada sumbu-y N/m}

  σ ^{2 zz} Tegangan Normal pada sumbu-z N/m

  τ ^{2 zy} Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-y N/m

  τ ^{2 zx} Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-x N/m

  τ ^{2 yx} Tegangan Geser sumbu-y terhadap sumbu-x N/m

  φ Kelembaban Relatif - ² x

  Diferensial terhadap sumbu-x - y Diferensial terhadap sumbu-y - z Diferensial terhadap sumbu-z - t Diferensial terhadap waktu -

  T Diferensial terhadap temperatur -