STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS- TEGANGAN DAN ARUS-DAYA PROTON EXCHANGE MEMBRANE

FUEL CELL SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Disusun oleh Muhammad Imam Saputra I0407046 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

Hai orang-orang yang beriman, mintalah pertolongan (kepada Allah) dengan sabar dan (mengerjakan) salat, sesungguhnya Allah beserta

orang-orang yang sabar. (QS Al-Baqarah:153)

Sesungguhnya Allah tidak melihat pada bentuk rupamu dan

hartamu, tetapi melihat kepada hati dan amalanmu. (Muhammad SAW)

Saya tak mau jadi pohon bambu, saya mau jadi pohon oak yang

berani menentang angin. (Soe Hok Gie)

Mereka pikir ini sulit, tapi bagi kami ini tantangan

(Lab. Biofuel & Advanced Energy)

Aku persembahkan karya ini kepada:

Atas kuasa-Nya penulis ada dan mampu mencapai level kehidupan seperti ini.

Pemberi petunjuk dan teladan yang sempurna dalam menjalani kehidupan

Serta kepada keluarga dan Kepada mereka yang memberi inspirasi, serta dukungan.

Kepada mereka yang haus akan ilmu.

Kepada mereka yang berani membuat perbedaan.

Muhammad Imam Saputra Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta E-mail : m.imamsaputra@gmail.com

Abstrak

Fuel cell merupakan salah satu alat konversi energi yang langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik dengan efisiensi yang tinggi dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik arus-tegangan dan arus-daya dari fuel cell J101 serta parameter-parameter yang berpengaruh pada efisiensi fuel cell. Penelitian ini terdiri dari dua tahap yaitu eksperimen dan simulasi dengan CFD (Computational Fluid Dynamic). Eksperimen menggunakan fuel cell J101 yang merupakan perangkat fuel cell jenis PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel cell ) produk dari H-tec dengan luas penampang membran fuel cell

adalah 4 cm 2 . Bahan bakar (H 2 dan O 2 ) hasil elektrolisis ditampung di gas storage

kemudian direaksikan pada fuel cell. Reaksi ini menghasilkan produk berupa listrik dan panas. Karakteristik dan efisiensi fuel cell diuji dengan memberi hambatan yang berbeda-beda sehingga dihasilkan arus dan tegangan yang bervariasi. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa fuel cell J101 dapat menghasilkan daya tertinggi sebesar 556 mW pada arus 1335 mA dan tegangan 416,75 mV. Efisiensi energi tertinggi adalah 57,8% pada arus 55,48 mA dan tegangan 787,62 mV. Hasil simulasi CFD menunjukkan kesamaan kurva karakteristik I-V dan I-P dengan hasil eksperimen. Untuk bahan-bakar hidrogen murni, tidak terlihat adanya pengaruh dari porositas katalis dan gas diffusion layer terhadap arus yang dihasilkan fuel cell. Adanya kenaikan temperatur kerja fuel cell dari 30°C, 50°C, dan 75°C menyebabkan penurunan arus yang dihasilkan oleh fuel cell . Hasil scale up menunjukkan bahwa perbesaran luas membran dua kali lipat dapat meningkatkan daya maksimum hingga dua kali lipat.

Kata kunci: Fuel cell, PEMFC, CFD, Porositas katalis, Gas diffusion layer.

Muhammad Imam Saputra Department of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta E-mail : m.imamsaputra@gmail.com

Abstract

Fuel cell is one of energy conversion devices which changes chemical energy into electrical energy directly. Having high efficiency and environmental friendly are its characteristic. This research aims for knowing characteristics of J101 fuel cell, namely power voltage and current flow. Furthermore, it studied what parameters that affected the efficiency of the fuel cell. The research study is consisted of two steps; they were experiments and simulation using CFD (computational fluid dynamic). The experiments used J101 fuel cell which included the type of PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell). It have four centimeters membrane cross sectional produced by H-Tec. The electrolysis process produced hydrogen and oxygen which were collected in the gas storage. After collecting those fuels, they were reacted in fuel cell. This reaction produced electricity and heats. The characteristic and the efficiency of fuel cell were tested by giving them different load so that the variety of currents and voltage can be investigated properly. The research study showed that maximum power of fuel cell J101 was 556 mW at 1335 mA of currents and at 416.75 mV of voltages. The peak of energy efficiency was 57.8% at

57.48 mA of currents and at 787.62 mV of voltages. Based on the research, it could be seen that I-V and I-P characteristics curve of CFD simulation result was almost close to the experiments result. The influence of the catalyst porosity and gas diffusion layer porosity of pure hydrogen had no effect to output current of fuel cell. The increasing of fuel cell temperature of 30 ºC, 50 ºC and 75 ºC caused the decreasing of current which was produced by fuel cell. The result of scale up show that scale up of membrane cross sectional area two times increased the maximum power twice.

Key words: Fuel cell, PEMFC, CFD, Catalyst Porosity, Gas Diffusion Layer

Maha Penyayang, shalawat serta salam untuk Nabi besar Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladanbagi umat manusia. Walaupun berbagai rintangan dan hambatan yang dihadapi selama pembuatannya, akhirnya atas berkat rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Dengan segala keterbatasan dan kemampuan dalam proses pembuatannya, penulis menyadari bahwa proses pembuatan skripsi ini tidak lepas dari bimbingan, bantuan, arahan serta dorongan dan doa dari berbagai pihak. Oleh karena itu dengan segala ketulisan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Allah SAW, Tuhan semesta alam. Atas kuasa-Nya penulis sampai pada level ini.

2. Bapak Dr. techn. Suyitno, ST., MT. selaku pembimbing I atas bimbingan dan

ilmu yang bermanfaat hingga penulis menyelasikan skripsi ini.

3. Bapak Zainal Arifin, ST., MT. selaku pembimbing II dan Pembimbing Akademis yang telah memberikan ilmu, bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan skripsi ini dan menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.

4. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT. Selaku Koordinator Tugas Akhir.

6. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret

yang turut mendidik penulis hingga dapat menyelesaikan studi S1.

7. Kedua Orang tua tersayang atas segala kasih sayang, pengorbanan dan jasanya yang tak terkira, memberikan dukungan moril maupun matriil, semangat, doa yang tulus dan ikhlas kepada penulis.

8. ‘Adek’ yang menjadi salah satu motivasi penulis.

9. Keluarga ‘mbah’ Parman dan ‘mbah’ Yusrin yang banyak memberikan inspirasi serta dukungan kepada penulis.

penulisan skripsi dan menyelesaikan studi S1 Teknik Mesin.

11. H-tec dan Google, yang membantu penulis mendapatkan informasi yang diperlukan

12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran sangat penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua.

Surakarta, November 2012

Penulis

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ............................................................................ 52

5.2. Saran ...................................................................................... 52 Daftar Pustaka

............................................................................................... 53

Gambar 4.9. Kontur tekanan (Pa) dalam anoda dan katoda. ................................. 42 Gambar 4. 10. Perbandingan fraksi massa H 2 O terbentuk dengan variasi hambatan (posisi 0 untuk Outlet dan posisi 0,0727 untuk Inlet). ... 43 Gambar 4.11. Kontur fraksi massa H 2 O pada variasi 0.404 volt dan 0.792 volt. .. 43 Gambar 4. 12. Perbandingan fraksi massa H 2 pada GDL dengan variasi porositas GDL. ............................................................................. 46 Gambar 4.13. Kontur H 2 pada channel anoda dengan variasi porositas gas diffusion layer. ............................................................................. 46 Gambar 4. 14. Perbandingan fraksi massa H 2 O terbentuk dengan variasi porositas katalis (posisi 0 untuk Outlet dan posisi 0,0727 untuk Inlet) ............................................................................................ 48

Gambar 4.15. Kontur fraksi massa H 2 O yang terbentuk. ...................................... 48 Gambar 4.16. Geometri fuel cell dengan luas membran 8 cm 2 . ............................ 50 Gambar 4.17. Kurva I-V untuk fuel cell dengan luas membran 8 cm 2 .................. 51

Gambar 4.18. Kurva I-P dan efisiensi untuk fuel cell dengan luas membran 8

cm 2 ............................................................................................... 51

Tabel 2. 1. Jenis-jenis fuel cell dan komponen penyusun (Spiegel, 2007). ........... 10 Tabel 2. 2. Perbedaan efisiensi, densitas energi dan waktu start up fuel cell

(Spakovsky, 1999) ............................................................................. 11

Tabel 2. 3. Kriteria Kualitas Mesh berdasarkan equiangle skew. .......................... 18 Tabel 3. 1. Spesifikasi multimeter. ..................................................................... 24 Tabel 4. 1. Data hasil percobaan fuel cell J101. .................................................. 33 Tabel 4. 2. Efisiensi Fuel Cell J101. .................................................................... 35 Tabel 4. 3. Parameter untuk membuat geometri pemodelan fuel cell.................... 37 Tabel 4. 4. Perbandingan hasil eksperimen dengan simulasi. ............................... 39 Tabel 4. 5. Perbandingan data perhitungan arus dengan rumus empiris dengan

simulasi. ............................................................................................ 40 Tabel 4.6. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi temperatur....................... 44 Tabel 4.7. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas gas diffusion

layer . ................................................................................................. 45 Tabel 4.8. Hasil simulasi fuel cell J101 dengan variasi porositas katalis .............. 47

Tabel 1. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 0.3 Ohm Tabel 2. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 1 Ohm Tabel 3. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 3.3 Ohm Tabel 4. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 10 Ohm Tabel 5. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 33.3 Ohm Tabel 6. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 100 Ohm Tabel 7. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 333 Ohm Tabel 8. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 996 Ohm Tabel 9. Data eksperimen Fuel cell J101 variasi hambatan 1 MOhm

: Convective derivative : Laju alir massa (kg/s)

a : Panjang sisi persegi panjang mesh (satuan panjang)

b : Lebar sisi persegi panjang mesh (satuan panjang)

: Specific heat capacity (kJ/kg.K)

: koeffisien difusi

E : Perbedaan potensial listrik (Volt)

E electric : Energi listrik (Watt)

E hidrogen

: Energi kimia hidrogen (Watt)

: Tegangan reversibel standard (Volt)

F : Konstanta Faraday (96487 C/mol)

: Entalpi masuk sistem (J/kg)

: Entalpi keluar sistem (J/kg)

I : Arus (Ampere)

: Current density (A/m 2 )

: Refference current density (A/m 2 )

k eff

: Effective thermal conductivity (W/mK)

: Berat molekul oksigen (kg/kmol)

: Massa masuk system (kg)

: Massa keluar system (kg)

: jumlah mol elektron

: Daya (Watt)

: Tekanan (Pa)

: Muatan listrik (Coulumbs)

Q EAS

: EquiAngle Skew Q EVS : EquiSize Skew

: konstanta gas ideal (J/mol.K)

: Luasan/volume elemen mesh

S eq

: Maksimum luasan/volume elemen mesh

: Source of species

: Source of mass

: Source of momentum

: Source of energy

: Temperature (K)

: Waktu (s)

: Kecepatan (m/s)

V : Tegangan (Volt)

V irrev : Tegangan irreversible (Volt)

V rev

: Tegangan reversible (Volt) W elec : Kerja elektrik (Watt)

: Fraksi massa spesies i : Activity of species

: Perubahan energy Gibss (J/mol.K) : Perubahan energy Gibss (J/mol.K)

: Efisiensi energi : Sudut karakteristik dari elemen mesh ( ) : Sudut maksimum dari elemen mesh ( ) : Sudut minimum dari elemen mesh ( )

: Massa jenis (kg/m 3 )

1 . 1. Latar Belakang

Semakin meningkatnya kebutuhan energi yang tidak diiringi dengan penambahan suplai bahan baku dapat menyebabkan krisis energi di Indonesia. Pada saat ini BBM (Bahan Bakar Minyak) merupakan bahan baku utama untuk kebutuhan energi di Indonesia. Namun, cadangan minyak tersebut semakin lama semakin menipis. Menyadari ketergantungan yang sangat besar kepada minyak bumi tersebut, maka telah dan sedang dilakukan berbagai upaya untuk mengurangi ketergantungan tersebut dengan menggunakan bahan bakar non- minyak untuk memenuhi kebutuhan energi di dalam negeri.

Menurut data pada tahun 2009 penggunaan minyak bumi untuk memenuhi kebutuhan energi Indonesia mencapai 50,9%. Sumber energi yang lain adalah batu bara 25,1%, gas alam 20%, panas bumi 2,1%, dan sisanya energi baru terbarukan (EBT). Pada sisi lain terdapat Perpres No. 5/2006 tentang Kebijakan Energi Nasional dimana pemerintah menargetkan penggunaan EBT sebesar 17% pada tahun 2025. Selain itu UU no. 30/2007 tentang energi mendorong untuk memanfaatkan energi baru terbarukan (ESDM, 2009). Pemanfaatan energi non- minyak yang sudah berhasil antara lain adalah batubara dan gas bumi sebagai bahan bakar di pembangkit listrik (ESDM, 2009). Kebutuhan teknologi pembangkit listrik di masa depan memerlukan teknologi yang bahan bakunya terjamin, berefisiensi tinggi dan ramah lingkungan.

Salah satu sistem pembangkit listrik yang memenuhi kriteria di atas adalah fuel cell. Fuel cell merubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung sehingga berefisiensi tinggi. Salah satu bahan bakar fuel cell adalah hidrogen. Hidrogen adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dimana reaksinya dengan oksigen menghasilkaan produk berupa uap air dan energi. Selain itu hidrogen dapat diperoleh dari berbagai jenis sumber energi baik yang terbarukan maupun tidak terbarukan seperti biomassa, air, minyak bumi, batubara dan lainnya dengan melalui proses seperti gasifikasi, elektrolisis, ataupun secara

ICE, Fuel Cell memiliki efisiensi lebih besar yaitu dapat mencapai 90% secara termodinamika (EG & G Technical service, 2004). Bahan bakar dari fuel cell bisa berupa hydrogen (proton exchange membrane fuel cell), Methanol (direct methanol fuel cell ), biogas, biomassa, gas alam. Fuel cell ini juga dapat digunakan untuk pembangkit listrik sumber daya peralatan transportasi, atau sumber daya yang portable seperti baterei laptop (European-Commission, 2003).

Fuel cell sangat ideal untuk sumber energi terbarukan. Jika dibanding dengan solar energy atau wind energy, fuel cell memiliki aplikasi yang lebih luas. Tidak seperti solar dan wind energy yang harus berada pada tempat yang memiliki sumber energi cukup, ataupun sumber listrik seperti PLTA, PLTD yang harus statis di suatu tempat sehingga membutuhkan sistem transmisi kabel untuk mendistribusikan energi listrik, fuel cell dapat berada di manapun listrik dibutuhkan. Transmisi ini sendiri memiliki rugi-rugi sebesar 7-10% serta membutuhkan tegangan yang besar untuk dialirkan ke tempat yang jauh (Spiegel, 2007). Fuel cell juga tidak memiliki bagian yang bergerak sehingga tidak akan menimbulkan kebisingan.

Namun teknologi untuk fuel cell ini masih mahal di Indonesia. Hal inilah yang mendorong perlunya dilakukan penelitian tentang fuel cell ini khususnya dari karakteristik performa. Untuk meneliti karakteristik performa dapat digunakan software dimana salah satunya adalah Fluent. Dengan pemodelan diharapkan dapat dilakukan proses reverse engineering untuk mengembangkan fuel cell yang lebih baik.

1 . 2. Batasan Masalah

Pada penelitian ini, permasalahan dibatasi pada:

1. Fuel cell yang digunakan berjenis proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) J101 merk H-Tec.

2. Reaktan yang dipakai adalah H 2 dan O 2 dari hasil elektrolisis menggunakan

1 . 3. Rumusan Masalah

Perumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana karakteristik I-V, I-P dari fuel cell J101.

2. Bagaimana karakteristik I-V, I-P dari simulasi fuel cell J101.

3. Bagaimana perbandingan antara karakteristik I-V, I-P aktual dan simulasi.

4. Bagaimana pengaruh porositas gas diffusion layer, porositas katalis dan temperatur terhadap performa fuel cell dari uji simulasi.

5. Bagaimana meningkatkan kapasitas dari fuel cell dengan menggunakan simulasi.

1 . 4. Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui karakteristik I-V, I-P dari fuel cell.

2. Membandingkan karakteristik I-V, I-P dari fuel cell antara metode eksperimen dan simulasi.

3. Mengetahui parameter-parameter yang berpengaruh langsung dengan performa fuel cell dan kemudian membuat model simulasi fuel cell dengan skala yang lebih besar.

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat:

1. Mampu meningkatkan pemahaman tentang cara kerja fuel cell dan bagian- bagian yang ada pada fuel cell.

2. Mendapatkan parameter-parameter yang berpengaruh terhadap performa fuel cell .

3. Mendapatkan model fuel cell dengan kapasitas yang lebih besar.

1 . 5. Sistematika Penulisan

BAB II : Landasan teori, berisi tinjauan pustaka dan dasar teori yang

berkaitan dengan fuel cell dan CFD.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

Bab IV : Data dan Analisa, berisi data hasil pengujian dan analisa data

hasil pengujian.

Bab V : Penutup, berisi kesimpulan penelitian dan saran yang berkaitan

dengan penelitian yang dilakukan.

2 . 1. Tinjauan Pustaka

Pemodelan proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) pernah dilakukan dengan menggunakan software Fluent 6.3. Pemodelan menggunakan

model tiga dimensi (3D). Dalam peneilitian tersebut digunakan reaktan H 2 dan O 2 .

Tujuan penelitian tersebut adalah untuk mengetahui pengaruh porositas Gas Diffusion Layer (0.2, 0.4, 0.6, dan 0.8) terhadap performa fuel cell. Hasil yang ditunjukkan dari simulasi adalah pada tegangan dibawah 0.8 V semakin besar porositas semakin tinggi densitas arus yang dihasilkan. Namun pada tegangan diatas 0.8 V semua variasi porositas menunjukkan hasil densitas arus yang hampir sama (Wei dkk., 2011). Dengan menggunakan software fluent pemodelan yang dilakukan dapat menjadi lebih mudah. Hal ini karena semua nilai dari parameter fuel cell yang perlu dimasukkan dalam model adalah nilai dari beberapa parameter secara langsung seperti mass flow, temperatur, tekanan dan lain-lain. Fluent sendiri menyediakan pemodelan secara 2D dan 3D. Dengan fluent juga dapat dilihat kontur tekanan, temperatur, kecepatan fluida sampai fraksi massa dari zat. Namun sayangnya, pada penelitian ini tidak ada validasi dari hasil pemodelan dengan eksperimen langsung. Pada dasarnya sebuah model harus memiliki pembanding dengan keadaan nyata agar dapat diketahui apakah model yang dibuat mendekati pada keadaan nyata. Untuk variasi porositas dari diffusion layer tidak memberikan hasil yang signifikan pada performa fuel cell. Karena pada tegangan tinggi sampai sedang 1.1-0.7 V hampir tidak ada perbedaan karakteristik I-V dari semua variasi. Perbedaan baru terlihat pada tegangan kurang dari 0.7 V. Maka perlu adanya penelitian lebih lanjut mengenai parameter lain untuk meningkatkan performa fuel cell.

Percobaan lain dilakukan untuk mengetahui pengaruh geometri dari flow pattern terhadap performa dari mikro Proton Exchange Membrane fuel cell (PEMFC). Dalam studi ini geometri yang dimaksud adalah sudut belokan pada Percobaan lain dilakukan untuk mengetahui pengaruh geometri dari flow pattern terhadap performa dari mikro Proton Exchange Membrane fuel cell (PEMFC). Dalam studi ini geometri yang dimaksud adalah sudut belokan pada

90. Sedangkan variasi dari rib/channel adalah 500/700 m, 800/700 m dan 100/500 m. Hasilnya menunjukkan bahwa pada sudut tikungan 60° dan 120° dapat memberikan kinerja yang lebih baik pada 20 dan 40 sccm (standard centimeter cubic per minute ) laju aliran inlet dibandingkan dengan desain konvensional yaitu flow pattern dengan sudut belokan 90 o -90 o . Selain itu, saluran yang lebih luas dengan jarak rib/channel sempit memberikan kinerja yang lebih baik. Dengan flow pattern yang lebih luas memberikan sensitifitas yang lebih baik dari kerja mikro fuel cell. Performa PEMFC akan menurun seiring naiknya flow rate (Chen dkk., 2009). Penelitian secara langsung seperti ini akan menghasilkan data pada kondisi sebenarnya. Namun dengan penelitian secara langsung harus disiapkan specimen uji dari variasi geometri flow pattern, sehingga membutuhkan biaya yang lebih dalam pembuatan specimen. Penelitian pun terbatas pada pengujian terhadap specimen yang ada. Jika terdapat kemungkinan dari bentuk baru yang lebih optimal maka harus membuat bentuk tersebut dan dilakukan pengujian.

Penelitian tentang pemodelan dan eksperimen tentang SOFC APUs (Solid Oxide Fuel Cell Auxiliary Power Units ) menjelaskan bahwa untuk implementasi SOFC pada bidang transportasi, terdapat kriteria-kriteria yang harus terpenuhi agar kerja dari fuel cell dapat optimal. Kriteria-kriteria tersebut adalah temperatur operasi yang rendah, konfigurasi fuel cell yang optimal, standarisasi produk, dan kontrol yang maksimal. Dalam hal ini pemodelan yang dibantu data eksperimen akan sangat membantu dalam mengembangkan fuel cell untuk memenuhi kriteria tersebut. Penelitian yang dilakukan terdiri dari beberapa tahap yaitu tahap eksperimen untuk mengetahui kondisi nyata dari fuel cell. Kemudian membuat model fisik untuk memodelkan fuel cell. Kemudian control-oriented modeling untuk mencari kontrol yang maksimal untuk mengimplementasikan fuel cell pada bidang transportasi. Hasilnya adalah data hasil simulasi fisik dan eksperimen adalah mendekati sama. Tidak seperti SOFC APUs tanpa kontrol, SOFC APUs dengan kontrol akan terhindar dari temperatur yang membahayakan yaitu diatas 180 o C.

membutuhkan gas storage untuk menampung bahan bakar (Pianese dkk., 2010).

Penelitian tentang pemodelan PEMFC juga dapat menggunakan MATHLAB/SIMULINK dan PSPICE. Inti dari pemodelan yang dilakukan adalah memodelkan PEMFC mendekati keadaan asli dengan asumsi-asumsi yang telah dibuat, diantaranya temperatur kerja, dimensi fuel cell dan lain sebagainya. Setelah itu dilakukan validasi dengan uji nyata yang mana propertis yang dimasukkan ke dalam model adalah mengikuti uji nyata ini. Pengujian tersebut menggunakan 500-W Avista Labs SR-12 PEM fuel cell stack. Hasil dari simulasi tersebut berupa karakteristik I-V, I-P, respon temperatur, dan transient responses. Ternyata hasil dari simulasi memperlihatkan hasil yang mendekati dengan hasil uji spesimen langsung. Sehingga dengan model ini dapat memprediksi kelistrikan dari PEMFC stack baik dalam kondisi steady maupun transient (Wang dkk., 2005). Pemodelan dengan menggunakan MATHLAB/SIMULINK dan PSPICE perlu memasukkan parameter dari fuel cell sampai dengan properties dari material yang digunakan. Langkah ini dapat dipersingkat jika menggunakan software fluent karena fluent telah menyediakan database properties material untuk pemodelan fuel cell . Pada penelitian ini pemodelan dilakukan sampai mengetahui karakteristik performa dari fuel cell, sedangkan dari model yang telah dibuat tersebut memungkinkan untuk diteliti parameter yang dapat meningkatkan performa dari fuel cell.

Sel bahan bakar merupakan sumber daya baru yang paling menarik karena tidak hanya memecahkan masalah lingkungan, tetapi juga masalah sumber daya alam tak terbarukan. Pernah dilakukan penelitian menggunakan analisa numerik untuk mengetahui efisiensi dari fuel cell dengan bentuk micro channel yang berbeda. Karakteristik aliran dengan kondisi batas yang sama disimulasikan dalam enam bentuk micro channel yang berbeda baik yang telah ada maupun rancangan baru. Hasil analisis menunjukkan bahwa karakteristik aliran seperti kecepatan, keseragaman, dan laju aliran, sangat tergantung pada bentuk saluran itu sendiri. Itu berarti efisiensi sel bahan bakar mikro bisa ditingkatkan melalui konfigurasi Sel bahan bakar merupakan sumber daya baru yang paling menarik karena tidak hanya memecahkan masalah lingkungan, tetapi juga masalah sumber daya alam tak terbarukan. Pernah dilakukan penelitian menggunakan analisa numerik untuk mengetahui efisiensi dari fuel cell dengan bentuk micro channel yang berbeda. Karakteristik aliran dengan kondisi batas yang sama disimulasikan dalam enam bentuk micro channel yang berbeda baik yang telah ada maupun rancangan baru. Hasil analisis menunjukkan bahwa karakteristik aliran seperti kecepatan, keseragaman, dan laju aliran, sangat tergantung pada bentuk saluran itu sendiri. Itu berarti efisiensi sel bahan bakar mikro bisa ditingkatkan melalui konfigurasi

2 . 2. Dasar Teori

2 . 2. 1 . Fuel Cell

Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah alat dimana bahan bakar dan pengoksidasi melalui sistem reaksi kimia terkontrol dan menghasilkan produk dan arus listrik secara langsung ke sebuah rangkaian eksternal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Bahan bakar dan pengoksidasi tidak bereaksi pada suatu proses pembakaran yang cepat, namun bereaksi secara bertahap pada elektroda-elektroda yang terpisah. Elektroda positif selanjutnya disebut katoda dan elektroda negatif disebut anoda. Sebuah elektrolit memisahkan kedua elektroda tersebut. Laju terjadinya reaksi dibatasi oleh waktu yang dibutuhkan untuk difusi spesies kimia melalui elektroda dan elektrolit dan kinetika reaksi (Moran dkk., 2004).

Gambar 2.1. Skema sederhana fuel cell (Moran dkk., 2004) Gambar 2.1. Skema sederhana fuel cell (Moran dkk., 2004)

Beberapa keuntungan dari sistem sel bahan bakar meliputi: Sel bahan bakar memiliki potensi untuk efisiensi operasi yang tinggi yang tidak tergantung pada ukuran sistem. Sel bahan bakar memiliki desain yang scalable. Banyak jenis sumber bahan bakarpotensial yang tersedia. Selain itu

penggunaannya luas seperti untuk untuk transportasi ataupun sistem daya yang portable . Hal ini seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Zero Emission. Tidak memiliki bagian yang bergerak sehingga tidak bising dan tidak bergetar. Sel bahan bakar menyediakan kemampuan mengisi ulanghampir seketika jika

dibandingkan dengan baterai. Sedangkan keterbatasan sistem sel bahan bakar adalah sebagai berikut: Teknologi untuk saat ini masih tergolong mahal dalam pembuatan membran maupun katalis serta sistem penyimpanan hidrogen. Perlu adanya sistem reforming untuk bahan bakar yang bukan hidrogen murni.

Penggunaaan hidrogen yang tidak murni akan mengakibatkan penurunan kualitas Fuel Cell seiring dengan penggunaannya karena elektroda akan terdegradasi dan elektrolit akan terkontaminasi (Spiegel, 2007).

Gambar 2.2. Jenis-jenis fuel cell dan aplikasinya (European-Commission, 2003)

Fuel Cell memiliki beberapa jenis dengan pembeda antara satu jenis

Dari bermacam-macam fuel cell tersebut, tiap-tiap fuel cell memiliki efisiensi, densitas energi dan waktu start up yang berbeda-beda. Untuk efisiensi, selain dipengaruhi oleh jenis dari fuel cell namun juga bagaimana fuel cell tersebut digunakan. Fuel cell jenis PEMFC memiliki densitas energi paling tinggi yaitu sekitar

3,8-6,5 kW/m 2 . Selain itu dibanding dengan jenis fuel cell yang lain, PEMFC

memiliki waktu start up paling tnggi. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.2. Tabel 2. 2. Perbedaan efisiensi, densitas energi dan waktu start up fuel cell

(Spakovsky, 1999)

Jenis FC

Efisiensi listrik (%)

Densitas Energi

(kW/m 2 )

Waktu Start Up SOFC

50-65 (stk), 45-50 (sis), >74

(hib)

1,5-2,6

orde jam

MCFC

50-60 (sis), 55-70 (hib)

0,1-1,5

orde jam

PAFC

40-50 (stk), 41 (sis)

0,8-1,9

orde jam

PEMFC

40-55 (stk)

3,8-6,5

orde menit-jam

AFC

45-60 (stk)

0,7-8,1

orde menit

DMFC

40 (stk)

- Keterangan : Stk

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) dapat memberikan densitas daya yang tinggi. Selain itu PEMFC lebih ringan serta memiliki volume yang lebih kecil dibandingkan dengan sel bahan bakar jenis lain untuk daya output yang sama. PEMFC menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori (porous carbon electrodes) yang mengandung katalis platina. PEMFC hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk sistem operasinya dan tidak membutuhkan cairan korosif seperti pada sel bahan bakar jenis lain. PEMFC beroperasi pada sekitar 80°C. Efisiensi PEMFC dapat mencapai 40– 50%, suatu nilai Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) dapat memberikan densitas daya yang tinggi. Selain itu PEMFC lebih ringan serta memiliki volume yang lebih kecil dibandingkan dengan sel bahan bakar jenis lain untuk daya output yang sama. PEMFC menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori (porous carbon electrodes) yang mengandung katalis platina. PEMFC hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk sistem operasinya dan tidak membutuhkan cairan korosif seperti pada sel bahan bakar jenis lain. PEMFC beroperasi pada sekitar 80°C. Efisiensi PEMFC dapat mencapai 40– 50%, suatu nilai

Untuk reaksi kimia yang terjadi di PEMFC adalah sebagai berikut : Anoda :

4H + + 4e - +O 2 2 O

(2.1) Katoda :

2H 2 + + 4e - (2.2)

Gambar 2.3. Skema Proton Exchange Membrane (Voight dkk., 2009)

Gambar 2.4. Reaksi pada PEMFC (Voight dkk., 2009)

2 .2. 3. Termodinamika Fue l Cell

Fuel cell akan menghasilkan energi elektrik maksimum jika beroperasi pada kondisi thermodynamically reversible. Tegangan tertinggi adalah tegangan reversible. Tegangan keluaran dari fuel cell dapat dinyatakan sebagai berikut.

Dimana V rev adalah tegangan reversible (tegngan maksimum fuel cell), sedangkan

V irrev adalah tegangan Irreversible (rugi tegangan). Sedangkan kerja maksimum dari fuel cell adalah negatif dari energi bebas Gibbs.

(2.5) Dimana

adalah perubahan entalpi pembentukan dari proses kimia yang terjadi pada fuel cell dan dapat dinyatakan sebagai berikut.

Kerja dalam bentuk elektrik juga dapat dinyatakan sebagai

Dimana Q adalah muatan listrik dan E adalah perbedaan potensial elektrik.

Dimana n adalah jumlah mol elektron yang dialirkan dan F adalah konstanta Faraday (96,485 Coulumb/mol elektron). Sehingga

(2.9) Dimana E r adalah potensial reversible standard. Hubungan antara tegangan dan temperatur pada kondisi standard (T=25 o C) dan dengan asumsi perubahan enthalpi tidak berubah terhadap temperatur adalah:

(2.11) Untuk hidrogen-oksigen pada kondisi standard

Dimana untuk reaksi tersebut pada - 285,8 kJ - 237,3 kJ/mol maka

(2.13) Tegangan aktual fuel cell dapat dinyatakan sebagai berikut.

ln

Dimana R adalah konstanta gas ideal sehingga tegangan aktual untuk hidrogen- oksigen pada kondisi standard adalah

(2.15) Performa dari hidrogen-oksigen fuel cell dapat dilihat pada Gambar 2.5

(Spiegel, 2007).

Gambar 2.5. Karakteristik performa fuel cell (Spiegel, 2007). Arus yang dihasilkan oleh fuel cell dapat juga dihitung dengan mengacu pada

laju alir massa reaktan dengan menggunakan rumus di bawah ini

(2.16) Dimana :

= mass flow rate oksigen (kg/s) v = Elektron Valensi dari oksigen

F = Konstanta Faraday (9,6485 x 10 7 C/kmol-electrons)

M = berat molekul oksigen (kg/kmol)

Dari persamaan di atas jelas terlihat bahwa arus yang dihasilkan oleh fuel cell berbanding lurus dengan mass flow rate oksigen. Selanjutnya untuk mendapatkan kurva karakteristik I-P terlebih dulu menghitung daya yang dihasilkan fuel cell. Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut.

= . (2.17) Dimana P

= daya (watt)

V = Tegangan (Volt)

I = Arus (Ampere)

Selain itu dapat juga dihitung efisiensi enegi dari fuel cell. Persamaan untuk menghitung efisiensi fuel cell adalah sebagai berikut.

(2.19) Dimana

V = tegangan (V)

I = Arus (A)

V H 2 = Debit H 2 (m 3 /s)

= LHV dari hidrogen (10,8 x 10 6 J/m 3 ) (Larminie dkk.,

Nilai kalor (heating value) dari suatu bahan bakar adalah suatu nilai positif yang sama dengan besarnya entalpi pembakaran. Entalpi pembakaran didefinisikan sebagai selisih antara entalpi dari produk hasil pembakaran dan entalpi reaktan ketika pembakaran sempurna terjadi pada tekanan dan temperature konstan.

Ada dua nilai kalor yang dikenal melalui istilahnya yaitu nilai kalor atas (higher heating value-HHV) dan nilai kalor bawah (lower heating value-LHV). Nilai kalor atas diperoleh ketika semua air yang terbentuk oleh pembakaran berbentuk cair, sedangkan nilai kalor bawah diperoleh ketika air yang terbentuk oleh pembakaran berbentuk uap. Nilai kalor atas melebihi nilai pkalor bawah sebesar jumlah energi yang Ada dua nilai kalor yang dikenal melalui istilahnya yaitu nilai kalor atas (higher heating value-HHV) dan nilai kalor bawah (lower heating value-LHV). Nilai kalor atas diperoleh ketika semua air yang terbentuk oleh pembakaran berbentuk cair, sedangkan nilai kalor bawah diperoleh ketika air yang terbentuk oleh pembakaran berbentuk uap. Nilai kalor atas melebihi nilai pkalor bawah sebesar jumlah energi yang

2 .2. 4. Teori Tentang Co mp uta tional Fluid Dynam ic (CFD)

FLUEN T- GAMBIT

Secara definisi, Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan parsamaan-persamaan matematika (model matematika) (Tuakia, 2008). Computational Fluid Dynamic (CFD) memiliki tiga proses umum yang mendasari ilmu ini. Proses tersebut adalah Pre-processing, Solving dan Post-processing. Pre-processing adalah proses identifikasi masalah. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam proses ini adalah boundary condition, masalah yang akan diselesaikan dan geometri (mesh). Hal lain yang perlu diperhatikan pada tahap ini adalah hal-hal yang akan dicapai dalam pemodelan CFD dan kemampuan solver. Proses selanjutnya adalah Solving. Proses ini sering disebut sebagai black box-nya CFD. Solving dalah proses dimana user memasukkan parameter-parameter seperti boundary condition, mengatur under relaxation factor, serta perhitungan numerik (iterasi). Proses terakhir adalah post-processsing yang merupakan proses analisa hasil dari solver.

Perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat memberi kemampuan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur, dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak ini bisa digunakan untuk membuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan sehingga mampu meminimalkan waktu dan biaya yang dibutuhkan dibandingkan dengan melakukan pengujian konvensional. FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga yang mampu menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah (Tuakia, 2008).

2 .2. 5. Prosedur Pemodelan Geometri Menggunakan GAMBIT

G e om e t ry an d M e s h B u il ding I n te llige n t T o olki t)

Gambar 2.6. Prosedur Pemodelan FLUENT-GAMBIT. Agar dapat memodelkan dan mensimulasikan dengan menggunakan FLUENT, geometri dari model harus terlebih dulu dibuat dan berbagai parameter simulasi harus terlebih dulu ditentukan. GAMBIT digunakan untuk keperluan tersebut. GAMBIT berfungsi untuk membuat model geometri, membuat mesh dan menentukan boundary condition yang digunakan pada model untuk analisis CFD. Prosedur pemodelan menggunakan FLUENT-GAMBIT bisa dilihat lebih jelas dalam Gambar 2.6.

Kualitas mesh dari geometri yang dibuat di GAMBIT penting untuk diperiksa terlebih dahulu sebelum di-export. Kualitas mesh ini akan mempengaruhi hasil iterasi yang dilekukan FLUENT. Parameter kualitas mesh yang sering dipermasalahkan oleh FLUENT yaitu aspect ratio dan equisize skew.

Aspect ratio Mesh yang baik memiliki aspect ratio

5. Aspect ratio didefinisikan sebagai berikut.

EquiAngle Skew

Didefinisikan sebagai =

max min adalah maksimum dan minimum diantara dua sisi yang

berhubungan pada suatu elemen mesh. Sedangkan eq adalah sudut karakteristik dari elemen. Bentuk elemen persegi memiliki sudut karakteristik 90 o dan bentuk elemen segitiga memiliki sudut karakteristik 60 o . Kualitas dari parameter ini dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Tabel 2. 3. Kriteria Kualitas Mesh berdasarkan equiangle skew.

Q EAS Quality

Q EAS =0

Equilateral (Perfect)

0<Q EAS

Excellent

0.25 < Q EAS

0.75 < Q EAS

Poor

0.9 < Q EAS

Very poor (sliver)

Q EAS =1

Degenerate

EquiSize Skew Didefinisikan sebagai

Dimana S adalah luasan (2D) atau volume (3D) dari sebuah elemen mesh. Sedangkan S eq adalah maksimum luasan (2D) atau volume (3D). Mesh dikatakan baik jika

memenuhi batas equisize skew sebagai berikut.

2 .2 .6 . Pemodelan dengan FL UENT

FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah.

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan ketika akan menyelesaikan permasalahan dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

1. Menentukan tujuan pemodelan.

2. Pemilihan model komputasi.

3. Pemilihan model fisik.

4. Penentuan prosedur. Permasalahan aliran fluida akan diselesaikan secara numerik dengan menggunakan FLUENT. Dasarnya meliputi penentuan konvergensi, sehingga solusinya akurat untuk semua jangkauan dari variabel aliran. Penjelasan tentang parameter konvergen dan akurat tersebut adalah sebagai berikut :

Konvergen, berarti parameter aliran pada batas-batas aliran yang ada sudah mendekati nilai kondisi batas yang ditetapkan sebelumnya. Skala konvergensi

pada FLUENT diterjemahkan dalam bentuk residual. Default nilai residual maksimum pada FLUENT adalah 0,001 (kecuali untuk energi yaitu 10 -6 ). Nilai residual dapat diubah oleh pengguna. Semakin kecil nilai residual, maka model aliran akan semakin mendekati keadaan sebenarnya. Akan tetapi jumlah iterasi yang diperlukan juga semakin banyak.

Akurat, adalah properti dari metode numerik untuk menghasilkan solusi yang mendekati solusi eksak (eksperimen).

FLUENT sendiri menyediakan pemodelan khusus untuk fuel cell dalam menu add-on. FLUENT menyediakan dua jenis pemodelan untuk fuel cell yaitu SOFC dan

PEMFC. Terdapat beberapa persamaan yang mendasari pemodelan ini yaitu :

Persamaan Kekekalan Massa () +.( )=

(2.24) Persamaan Kekekalan Momentum

(2.25) Persamaan Kekekalan Energi

+.

(2.26) Conservation of Species

) +.(

)=

= (2.27) Conservation of Charge =

(2.28)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3 .1 . Tempat Pengujian

Pengujian dilakukan di Laboratorium Biofuel and Advance Energy Teknik Mesin UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA.

3 .2 . Alat dan Bahan yang Digunakan

a) Satu set fuel cell dan electrolyzer seperti terlihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3. 1 Satu set Junior basic J101 (Voight dkk., 2009)

Gambar 3.2. PEM Fuel Cell (Voight dkk., 2009).

Gambar 3.2 adalah gambar dari fuel cell yang digunakan yang merupakan produk dari H-Tec dengan tipe PEMFC . Fuel cell ini memiliki luas penampang aktif

4 cm 2 . PEMFC memiliki Operasi kerja pada tekanan atmosfer dan temperatur lingkungan. Fuel cell jenis ini menghasilkan daya maksimum 500 mW dan bekerja pada tegangan 0,40-0,96 V.

Gambar 3.3. PEM Electrolyzer (Voight dkk., 2009). Electrolyze r (Gambar 3.3) digunakan untuk memisahkan antara H 2 dan O 2 dari

air. Elektrolizer memerlukan energi listrik. Arus listrik yang dibutuhkan adalah arus listrik searah. Dalam penelitian ini sumber daya (listrik DC) didapat dari konversi energi cahaya menjadi listrik melalui solar cell.

Gambar 3.4. Proses Elektrolisis (Voight dkk., 2009). Elektrolizer ini memiliki luas penampang 4 cm 2 dengan daya 1,16 W.

Tegangan yang diijinkan adalah 0-2 V. Sedangkan arus yang diijinkan adalah 0-2 A.

Elektrolizer ini dapat menghasilkan hidrogen dengan debit 5 cm 3 /menit dan oksigen dengan debit 2,5 cm 3 /menit. Prinsip kerja dari elekrolizer sendiri dapat dijelaskan pada Gambar 3.4.

b) Gas Storage

Gambar 3.5. Gas Storage kapasitas 30 ml (Voight dkk., 2009). Gas storage digunakan untuk menampung gas hasil elektrolisis. Seperti yang

terlihat pada Gambar 3.5 gas storage ini memiliki kapasitas 30 ml dan memiliki skala volume dengan urutan dari bawah ke atas semakin kecil. Hal ini digunakan untuk mengetahui gas yang tersisa di dalamnya.

c) Solar Module.

Gambar 3.6. Solar Module (Voight dkk., 2009).

Solar module (Gambar 3.6) digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik pada saat elektrolisisdengan cara mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik.

d) Variable resistor (Gambar 3.7) digunakan untuk mengatur arus dan tegangan keluaran dari fuel cell. Resistor ini dapat diatur nilai hambatannya.

e) Multimeter yang digunakan untuk mengetahui arus dan tegangan yang dihasilkan oleh fuel cell. Multimeter yang dipakai memiliki spesifikasi sebagai berikut.

Tabel 3. 1. Spesifikasi multimeter.

KRISBOW KW0600271

HELES UX-838TR

Tegangan DC

Tegangan DC

Jangkauan Resolusi

± 0,5% dari pemb. ± 2D

200 mV

100 µV

± 0,5% dari pemb. ± 2D 2000 mV

1 mV

± 0,5% dari pemb. ± 2D

2V 1 mV

± 0,5% dari pemb. ± 2D 20 V

10 mV

± 0,5% dari pemb. ± 2D

20 V

10 mV

± 0,5% dari pemb. ± 2D 200 V

100 mV

± 0,5% dari pemb. ± 2D

200 V

100 mV

± 0,8% dari pemb. ± 2D 600 V

1V ± 0,8% dari pemb. ± 2D

600 V

1V ± 0,8% dari pemb. ± 2D

Arus DC

Arus DC

Jangkauan Resolusi

± 1% dari pemb. ± 2D

200 µA

100 nA

± 1% dari pemb. ± 2D 2000 µA

1 µA

± 1% dari pemb. ± 2D

2000 µ A

1µA

± 1% dari pemb. ± 2D 20 mA

10 µ A

± 1% dari pemb. ± 2D

20 mA

10 µA

± 1% dari pemb. ± 2D 200 mA

100 µA

± 1,2% dari pemb. ± 2D

200 mA

100 µ A

± 1,5% dari pemb. ± 2D 10 A

10 mA

± 2% dari pemb. ± 2D

2a 1 mA

± 3% dari pemb. ± 2D

10 A

10 mA

± 3% dari pemb. ± 2D

Resistansi

Resistansi

Jangkauan Resolusi

± 0,8% dari pemb. ± 2D

20 Ohm

10 mOhm

± 3% dari pemb. ± 2D 2000 Ohm

1 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D

200 Ohm

100 mOhm

± 0,8% dari pemb. ± 2D 20 kOhm

10 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D

2000 Ohm

1 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D 200 kOhm

100 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D

20 kOhm

10 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D 2000 kOhm

1 kOhm

± 1% dari pemb. ± 2D

200 kOhm

100 Ohm

± 0,8% dari pemb. ± 2D

2000 kOhm

1 kOhm

± 1% dari pemb. ± 2D

20 Mohm

10 kOhm

± 1,5% dari pemb. ± 2D ± 1,5% dari pemb. ± 2D

Gambar 3.7. Resistor, Multimeter, Stopwatch.

g) H 2 O (aquadest) untuk bahan baku H 2 dan O 2.

h) Software CFD FLUENT 6.3.26 dan GAMBIT 2.4.6 beserta komputer.

3 .3 . So la r-H yd rog en E nerg y

Solar dan hydrogen adalah contoh dari sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan. Seperti pada Gambar 3.8 keduanya dapat digunakan secara bersamaan mengingat terdapat kekurangan dan kelebihan dari masing-masing sumber energi yang dapat saling menutupi. Solar cell dapat bekerja (menghasilkan listrik) jika ada sumber cahaya yaitu matahari. Fuel cell merupakan alat konversi energi yang mengubah energi kimia dari hidrogen menjadi energi listrik. Hidrogen sendiri dapat dihasilkan dari proses elektrolisis dimana proses ini memerlukan sumber listrik DC. Kondisi ini memberikan ide baru untuk memproduksi hidrogen dari air melalui proses elektrolisis dengan menggunakan listrik yang dihasilkan solar module.

Hal lain yang menjadi pertimbangan adalah solar energy tidak dapat bekerja pada malam hari dan terbatas pada ruang dan waktu. Fuel cell memiliki penggunaan yang luas seperti sumber daya portable dan transportasi sehingga akan lebih mudah pengaplikasiannya. Jika listrik dari solar moduel langsung dipakai maka pengaplikasiannya akan sangat sempit mengingat solar module harus selalu terpapar sinar matahari.

Gambar 3.8. Solar-Hydrogen Cycle (Voight dkk., 2009) Prinsip inilah yang menjadi dasar penelitian ini. Namun dalam penelitian ini

dititikberatkan pada penggunaan fuel cell sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi listrik.

Solar modul dipaparkan cahaya sehingga dapat menghasilkan listrik searah. Energi listrik ini kemudian digunakan untuk mengelektrolisis air. Hasil dari elektrolisis berupa hidrogen dan oksigen. Daya tampung dari gas storage adalah 30 ml. maka proses elektrolisis dihentikan jika gas storage sudah penuh. Proses selanjutnya yaitu pengkonversian energi kimia yang terkandung pada hidrogen dan oksigen menjadi energi elektrolisis dengan menggunakan fuel cell. Fuel cell yang telah terhubung dengan gas storage diberi beban sehingga akan timbul arus listrik. Beban dapat berupa kipas yang tersedia pada Set J101 atau resistor. Penelitian ini menggunakan variasi resistor 0,

1 k dan 1 M .

3 .4 . Uji Karakteristik Arus-Teganga n dan Arus-Daya Fue l C ell.

a. Experimental

Dalam uji karakteristik fuel cell manggunakan alat ukur arus dan tegangan serta stopwatch. Variasi hambatan yang digunakan adalah

1 k dan 1 M . Besarnya hambatan berpengaruh 1 k dan 1 M . Besarnya hambatan berpengaruh

hambatan. Pengambilan data dilakukan setelah 20 detik untuk tiap-tiap hambatan untuk mendapatkan data yang valid (kondisi fuel cell steady). Data yang diambil

adalah waktu, hidrogen yang terpakai, tegangan dan arus. Data yang didapat kemudian dibuat grafik I-V dan I-P.

b. Simulasi

Simulasi Fuel cell memerlukan data-data kondisi kerja dan dimensi fuel cell itu sendiri. Data ini bisa didapatkan pada saat uji eksperimen. Data yang harus ada adalah temperatur, tekanan, geometri, flow rate hidrogen dan oksigen serta dimensi dari fuel cell.

Variasi yang dilakukan adalah memvariasikan tegangan yang dihasilkan oleh fuel cell . Data tegangan yang dihasilkan oleh fuel cell ini didapat dari uji eksperimen. Data arus yang dihasilkan dari fuel cell akan didapat setelah proses simulasi selesai. Karakteristik I-V dan I-P dari simulasi fuel cell dibuat dari data tersebut.

3 .5 . Variasi Pengujian

Variasi yang dilakukan dalam uji eksperimen adalah dengan memvariasikan besarnya hambatan. Data yang diambil adalah tegangan dan arus dari fuel cell, banyaknya hidrogen dan oksigen yang terpakai, dan lama pengujian. Hambatan divariasikan dari 0,33 sampai 1 M . Pengambilan data dilakukan selama fluktuasi tegangan dan arus tidak tinggi.

3 .6 . Skema penelitian

Skema penelitian ini dapat dilihat pada gambar Gambar 3.9 dan Gambar 3.10.

Gambar 3.9. Skema penelitian pemodelan Fuel cell.

Gambar 3.10. Skema pengambilan data eksperimen.

3 .7 . Tahap Penelitian

Tahap penelitian uji eksperimen dan simulasi CFD fuel cell J101 dapat dilihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11. Tahap penelitian pemodelan Fuel Cell

3 .8 . Prosedur Percobaa n (Ex per im e nt)

a. Menyiapkan alat dan bahan. Fuel cell, electrolyzer , gas storage, Decade resistor, Stopwatch, multimeter,

dan H 2 O.

b. Merangkai peralatan sesuai dengan gambar.

c. Memasukkan air ke dalam gas storage dengan sebelumnya menutup outlet dari fuel cell.

d. Mengaktifkan electrolyzer dengan cara memaparkan cahaya ke solar cell.

e. Setelah volume tampungan gas penuh, menghubungkan beban ke fuel cell untuk mengaktifkan fuel cell.

f. Mengatur hambatan.

g. Menyalakan stopwatch untuk mencatat waktu.