SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER Frans1, Himsar Ambarita2 1)

Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU, Medan 20155 Email : [email protected] 2) Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU, Medan 20155 Email : [email protected] 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 disimulasikan. 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 diperoleh 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 jenis ruang alir serpentine. Kesimpulan penelitian ini 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 poliimer, 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 : Dynamic)

Fuel Cell, PEM (Polymer Electrolyte Membrane), CFD (Computational Fluid

1. Pendahuluan 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 37

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013 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. Tujuan dari tulisan ini adalah untuk mengetahui besarnya simpangan kecepatan, mengetahui pengaruh dari jenis aliran dan simulasi kecepatan hidrogen dalam ruang alir. 2. Sel bahan bakar 2.1 Prinsip dasar 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 [3]. 2.2 Jenis – Jenis Sel bahan bakar Sel bahan bakar diklasifikasikan berdasarkan atas jenis dari elektrolit yang digunakan.Klasifikasi ini menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, jenis katalis yang diperlukan, batas temperatur dimana sel tersebut bekerja, bahan bakar yang dibutuhkan, dan faktor – faktor lainnya. Adapun sel bahan bakar

ISSN 0216-7492 hingga saat ini terbagi menjadi 7 klasifikasi utama antara lain [2]: 1. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) 2. Direct methanol 3. Alkaline 4. Phosporic acid 5. Molten carbonate 6. Solid oxide 7. Regenerative Proton Exchange Membrane (PEM) lebih dikenal sebagai Polymer Electrolyte Membrane menyalurkan berat jenis yang tinggi dan menawarkan keuntungan pada berat dan volume yang rendah, dibandingkan dengan sel bahan bakaryang lainnya. Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer solid sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM membutuhkan hanya hydrogen, oksigen dari udara, dan air untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif . Direct methanol fuel cell (DMFC) digerakkan menggunakan methanol murni, yang dicampur dengan uap dan dialirkan secara langsung ke anoda daripada sel bahan bakar. DMFC ini tidak mempunyai permasalahan tempat penyimpanan seperti sel bahan bakarlain pada umumnya. Alkaline fuel cells adalah salah satu dari teknologi sel bahan bakaryang dikembangkan, dan merupakan yang pertama digunakan secara luas untuk program penghasil energi listik dan air pada pesawat luar angkasa oleh NASA. Sel bahan bakarini menggunakan potasium hidroksida dalam air sebaga elektrolit dan dapat menggunakan beberapa jenis dari metal sebagai katalis pada anoda dan katoda. Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum.PAFC ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakarmodern.PAFC lebih toleran terhadap ketidakmurnian daripada bahan bakar yang telah diubah menjadi hydrogen daripada Sel bahan bakar PEM.

38

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) saat ini sedang dikembangkan untuk gas natural dan batubara untuk kegunaan elektrik, industri, dan aplikasi militer. MCFC adalah sel bahan bakaryang bekerja pada temperatur tinggi yang menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt mixture, lithium aluminium oksida (LiAlO2). Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan bahan keramik yang keras dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. SOFC ini diharapkan dapat memiliki efisiensi 50 – 60 % untuk mengubah bahan bakar menjadi listrik. Regenerative Fuel Cell menghasilkan listrik dari hidrogen, oksigen, membangkitkan panas dan air sebagai bahan bakar, seperti sel bahan bakarlainnya.Regenerative fuel cell juga dapat menggunakan elektrolisa dari solar power atau sumber lainnya untuk membagi kelebihan air menjadi bahan bakar hidrogen dan oksigen.Sel bahan bakarjenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya [4].

Gas diffusion layers

Flow plates

field

Gaskets

End plates

pada katoda sel bahan bakar. Elektron lalu mengalir menghasilkan daya Memungkinkan bahan bakar / oksidan untuk mengalir melalui lapisan Polymer Electrolyte Membrane. Mengalirkan bahan bakar dan oksidan ke gas diffusion layer Mencegah terjadinya kebocoran bahan bakar, dan membantu mendistribusikan tekanan secara merata Menahan lapisan Stack tetap pada tempatnya.

Carbon cloth atau toray paper

Graphite, Stainless Steel Silicon teflon

,

Stainless steel, Graphite, Polyethylene

2.3 Komponen - komponen sel bahan bakar Adapun komponen – komponen dari sel bahan bakar dapat terlihat seperti pada gambar 1. Tabel 1 menunjukkan komponen komponen sel bahan bakar, beserta dengan kegunaan dan bahan yang bisa digunakan untuk memproduksi komponen tersebut [2].

Gambar 1. Komponen - komponen Sel bahan bakar

Tabel 1. komponen dasar dari PEM Fuel Cell Komponen

Polymer Electrolyte Membrane

Catalyst layers

Kegunaan

Memungkinan proton daripada hidrogen untuk mengalir dari anoda menuju katoda Memisahkan bahan bakar menjadi proton dan elektron. Proton kemudian disatukan dengan oksidan untuk membentuk air

Bahan yang biasa digunakan Persulfonic Acid Membrane (Nafion 112, 115, 117) Platinum carbon catalyst

/

2.4 Jenis Ruang Alir pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Beberapa jenis dari ruang alir pada tumpukan sel bahan bakar yaitu [1]: • Paralel • Serpentine • Wavy • Obligue • Koil dengan outside inlet dan outlet • Koil dengan inside inlet dan outlet • Koil dengan serpentine • Koil dengan serpentine ganda 39

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492

Ruang alir paralel memiliki pencabangan sehingga fluida masuk akan dibagi-bagi dan berkumpul pada satu titik keluar. Ruang alir serpentine tidak memiliki pencabangan sama sekali dan termasuk jenis ruang alir seri dan memiliki bentuk yang simetri Ruang alir wavy mirip dengan ruang alir paralel hanya saja bentuk tempat pengalirannya yang bergelombang Ruang alir obligue merupakan ruang alir paralel yang menyamping dan ruang alirnya terhubung satu dengan yang lainnya Ruang alir koil dengan outside inlet dan outlet memiliki masukan beserta keluaran fluida pada sisi terluar dari ruang alir dan bentuknya mengelilingi pusat Ruang alir koil dengan inside inlet dan outlet memiliki masukan beserta keluaran fluida pada pusat dari ruang alir dan bentuknya mengelilingi pusat Ruang alir koil dengan serpentine merupakan ruang alir yang mengelilingi pusatnya dan bagian pusat berbentuk seperti serpentine Ruang alir koil dengan serpentine ganda merupakan ruang alir yang sama terhadap ruang alir koil dengan serpentine hanya saja jumlah pola serpentine pada pusatnya yang berbeda 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. [2] Untuk ruang alir, diameter hidrolik dapat digambarkan dengan persamaan [2]:


 =

× × .....................................  

(1)

Dimana DH adalah diameter hidrolik, wc adalah lebar saluran dan dc adalah kedalaman saluran. Untuk laju aliran pada pintu masuk tumpukan adalah [2]: 



  = × ×   ×  

×

 × !"

× #$%% DD..(2)

Dimana Qstack adalah laju aliran pada pintu masuk tumpukan, I adalah arus tumpukan, F adalah konstanta Faraday, s adalah rasio stokiometri oksigen, ro2 adalah kandungan oksigen di udara, R adalah konstanta gas ideal, T adalah suhu, Pin adalah tekanan pada inlet tumpukan, & adalah kelembaban relatif, Psat adalah tekanan saturasi dan Ncell adalah jumlah sel dalam tumpukan Untuk kecepatan pada pintu masuk tumpukan adalah [2]:

'( = +

) "!*

,-- ×+. /010/0

...........................(3)

Dimana ' adalah kecepatan pada pintu masuk tumpukan, Qstack adalah laju aliran pada pintu masuk tumpukan, Ncell adalah jumlah sel dalam tumpukan, Nch adalah jumlah saluran paralel, wc adalah lebar saluran dan dc adalah kedalaman saluran. Untuk mengetahui jenis aliran yang terjadi pada ruang alir maka perlu diketahui bilangan Reynold dengan persamaan [2]:

23 =

6 ×78 4×5 .......................................(4) 9

Dimana Re adalah bilangan Reynold, ρ adalah massa jenis, V adalah kecepatan rata-rata, DH adalah diameter hidrolik dan µ adalah viskositas fluida. Untuk mengetahui besar simpangan aliran dapat diperoleh dengan persamaan [2]:

Simpangan = |

  $$BC |0x0100%..(5) $BC

3. Experimental Setup Pengujian ini dimulai dengan melakukan pemisahan molekul H2O dari aquadest menjadi H2 dan O2. Lalu 40

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492

kemudian H2 tersebut diisi ke dalam tabung pengisian Hydrostik.Pada saat pemisahan molekul H2O ini dilakukan pembacaan temperatur air dengan menggunakan Agilient. Kabel – kabel termocouple dihubungkan ke dalam air yang akan dielektrolisis. Flash disk dihubungkan ke Agilient untuk pembacaan data. Setelah Hydrostik penuh diisi dengan H2 maka flash disk dicabut dan kemudian dibaca menggunakan microsoft excel. Setelah pengisian Hydrostik penuh, maka kemudian flash disk dihubungkan kembali ke Agilient untuk pembacaan pada saat hydrostik dihubungkan ke stack dan menghasilkan listrik. Kabel – kabel termocouple dihubungkan pada permukaan hydrostik, lubang input dan lubang output yang terdapat pada stack fuel cell. Setelah fuel cell beroperasi secara penuh dan hidrogen yang terdapat di dalam hydrostik habis, flash disk dicabut dan dibaca menggunakan excel untuk mengetahui temperatur pada kondisi saat pengoperasian.

Tabel 3. Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran Secara Teori Parameter Pengukuran Temperatur (T) Jumlah sel pada stack (Ncell) Jumlah saluran paralel (Nch) Lebar saluran (Wc) Kedalaman saluran (dc)

Nilai 0 298 K 13 6 0,6 cm 5 cm

Dari data tabel 2 dan tabel 3 maka diperoleh nilai kecepatan pada ruang alir sel bahan bakar yaitu sebesar 0,0146m/s Dan dari hasil simulasi nilai kecepatan pada ruang alir sel bahan bakar yaitu sebesar 0,02. Simpangan kecepatan pada ruang alir sel bahan bakar yaitu sebesar 36,98%. Tabel 4. Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Teori Parameter Asumsi Tekanan lingkungan (P) Tekanan saturasi (Psat) Molekul udara (Mudara) Molekul air (MH20) Konstanta gas ideal (R) Kekentalan (µ)

Nilai 101325 Pa 19944 Pa 29 18 8,314 J/mol 0K 0,0002 kg/ms

Tabel 5. Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Teori Parameter Pengukuran Lebar saluran (Wc) Kedalaman saluran (dc) Temperatur (T)

Nilai 0,6 cm 5 cm 0 298 K

Dari data tabel 4 dan tabel 5 maka diperoleh nilai reynold pada ruang alir sel bahan bakar secara teori yaitu 8,576 Gambar 2.Experimental Setup Tabel 6. Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Simulasi

4. Hasil dan Pembahasan Tabel 2. Parameter Asumsi Kecepatan Aliran Secara Teori Parameter Asumsi Arus sel (I) Konstanta Faraday (F) Rasio stoikiometri oksigen (S) Kandungan oksigen di udara (ro2) Konstanta gas ideal (R) Tekanan masuk (Pin) Kelembaban relatif (φ) Tekanan saturasi (Psat)

Nilai 2 0,7 A/cm 96485 Joule 1 0,21

Parameter Asumsi Tekanan lingkungan (P) Massa jenis CFD (ρCFD) Kekentalan CFD (µCFD)

Nilai 101325 Pa -2 3 8,189.10 kg/m -6 8,411.10 kg/ms

Tabel 7. Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Simulasi

0

8,314 J/mol K 101325 Pa 1 19944 Pa

Parameter Pengukuran Lebar saluran (Wc) Kedalaman saluran (dc) Temperatur (T)

Nilai 0,6 cm 5 cm 2980K

Dari data tabel 6 dan tabel 7 maka diperoleh nilai reynold pada ruang alir sel bahan bakar secara simulasi yaitu 2,085

41

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492

Dari hasil bilangan reynold secara teori dan simulasi maka diperoleh kesamaan yaitu jenis aliran laminar. Untuk simulasi kecepatan aliran di dalam ruang alir sel bahan bakar terlihat seperti gambar dibawah ini:

42

Jurnal Dinamis Vol. I,No.13, Juni 2013

ISSN 0216-7492 Berdasarkan hasil simulasi dengan jenis ruang alir serpentine atau ruang alir tanpa pencabangan maka sifat simetrisnya dapat dimanfaatkan untuk mengoptimalkan iterasi yang dilakukan oleh perangkat lunak.. Daftar Pustaka [1]

Kurnia, Jundika C. ; Sasmito, Agus P. ; Mujumdar, Arun S. 2011. Numerical Investigation Of Laminar Heat Transfer Performance Of Various Cooling Channel Designs. Elsevier Ltd : London

[2]

Spiegel, Colleen . 2008. PEM Fuel Cell Modeling and Simulation Using MATLAB. Elsevier Inc : New York

[3]

http://beritaiptek.blogspot.com/2008/06/carakerja-fuel-cell.html

[4]

http://www1.eere.energy.gov/hydr ogenandfuelcells/fuelcells/ fc_types.html

Gambar 3. Hasil Simulasi Kecepatan Dalam Ruang Alir Adanya perbedaan kecepatan dalam ruang alir sel bahan bakar diakibatkan adanya perbedaan waktu saat elektron dan ion H+ bergabung serta membran elektrolit yang dilewati oleh ion H+ yang mulai tersumbat juga menjadi salah satu faktor. 5. Kesimpulan Sel bahan bakar jenis PEM menggunakan hidrogen murni hasil hidrolisis H2O sebagai bahan bakar. Saat dihubungkan ke sel bahan bakar H2 akan bergabung dengan O2 dan akan bereaksi menghasilkan daya listrik. Adapun H2O sebagai penghasil H2 murni yang digunakan haruslah benar - benar murni dan hanya mengandung senyawa H2O itu sendiri, hal ini dilakukan untuk menjaga tingkat performansi daripada sel bahan bakar dengan menjaga agar lapisan - lapisan di dalam sel bahan bakar itu sendiri tidak mengalami korosi akibat dari kandungan zat - zat lain selain H2 yang diharapkan. Simpangan kecepatan dalam ruang alir sel bahan bakar dari hasil perhitungan teori dan simulasi menunjukkan penyimpangan sebesar 36,98%. Adapun penyimpangan sebesar ini dikarenakan waktu dan reaksi kimia yang tidak selaras sehingga sel bahan bakar menjadi kurang optimal. Berdasarkan hasil perhitungan teori dan hasil simulasi diperoleh suatu kesamaan jenis aliran dalam ruang alir sel bahan bakar yaitu jenis aliran laminar.

43