SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA GAS
DIFFUSION LAYER SEBUAH SEL BAHAN BAKAR POLYMER
ELECTROLYTE MEMBRANE KAPASITAS 20 W
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ISMAIL RUSLI
NIM. 080401044
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
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 distribusi temperatur pada gas diffusion layer sebuah Sel Bahan Bakar Polymer Electrolyte Membrane kapasitas 20 W”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Teknik Produksi, 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 Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Ir. Zaman Huri, MT. selaku Dosen pembanding I dan Bapak Tulus
B. Sitorus ST, MT. 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, Joni dan Cintina Chandra 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.
8. Rekan-rekan khususnya Felix Onn, Robby Mulyadi, Putra Setiawan, Iqbal Tawakal, Albert Tandika dan Rudi Martin yang bersama-sama dengan penulis menuntaskan kerja praktek baik kerja praktek manajemen maupun teknologi mekanik dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 serta abang-abang mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
9. Teman-teman yang selalu memotivasi penulis selama mengerjakan skripsi ini.
Penulis akan sangat berterimakasih 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 Penulis,
ABSTRAK
Energi menjadi komponen penting bagi kelangsungan hidup manusia karena hampir semua aktivitas kehidupan manusia sangat bergantung pada ketersediaan energi yang cukup dan sumber energi fosil yang mulai menipis. Salah satu bentuk energi alternatif yang menjadi perhatian besar adalah sel bahan bakar dikarenakan energi yang dihasilkan sangat bersih dan lebih efisien. Dalam penelitian ini peneliti mencoba meneliti salah satu dari sel bahan bakar yaitu sel bahan bakar PEM kapasitas 20 W dengan menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui fungsi dari gas diffusion layer dan membran yang digunakan pada proton exchange pada sel bahan bakar. Hasil dari penelitian ini adalah gas diffusion layer berfungsi menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk MEA serta membran yang digunakan pada proton exchange adalah nafion.
ABSTRACT
Energy becomes a critical component to human survival because almost all activities of human life depends on the availability of sufficient energy and fossil energy sources thinning. One form of alternative energy is a major concern because of the fuel cell energy produced very clean and more efficient. In this study, researchers tried to examine any of the fuel cell PEM fuel cell capacity of 20 W by using hydrogen as a fuel. The purpose of this study was to determine the function of the gas diffusion layer and the membrane used in proton exchange fuel cells. The results of this study are the gas diffusion layer functions provide access track reactions and products, help treat water as an end product and provide support for MEA, membrane used in proton exchange is Nafion.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR SIMBOL ... x
BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang ... 1
1.2Tujuan Penelitian ... 2
1.3Batasan Masalah ... 2
1.4Manfaat Penelitian ... 2
1.5Sistematika Penulisan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tentang Sel Bahan Bakar ... 4
2.2 Komponen - komponen Sel Bahan Bakar ... 12
2.3 Sistem Sel Bahan Bakar ... 13
2.4 Hidrogen... 15
2.5 Struktur dari Proton Exchange ... 18
2.6 Lapisan Difusi Gas ... 22
2.7 Aplikasi Sistem Sel Bahan Bakar ... 27
2.7.1 Penerapan Sel Bahan Bakar Sebagai Pembangkit Listrik Skala kecil ... 28
BAB III METODOLOGI
3.1 Peralatan Pengujian ... 31
3.2 Bahan Pengujian ... 38
3.3 Experimental Setup ... 39
3.4 Prosedur Pengujian ... 40
BAB IV DATA DAN ANALISA DATA 4.1 Simulasi pemodelan temperatur pada lapisan dalam GDL ... 43
4.2 Simulasi pemodelan temperatur dan konsentrasi oksigen pada GDL ... 45
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 53
5.2 Saran ... 53
DAFTAR PUSTAKA ... 54
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 komponen dasar dari PEM Sel Bahan Bakar ... 12 Tabel 2.2 Persamaan yang digunakan pada permodelan lapisan gas difusi ... 23 Tabel 2.3 Sifat kertas karbon yang digunakan komersial sebagai substrat
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Alur kerja Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell ... 6
Gambar 2.2 Alur kerja Directmethanol fuel cell (DMFC) ... 7
Gambar 2.3 Alur kerja Alkaline fuel cell ... 8
Gambar 2.4 Alur kerja Phosporic Acid Fuel Cell ... 8
Gambar 2.5 Alur kerja Molten Carbonate Fuel Cell ... 9
Gambar 2.6 Alur kerja Solid Oxide Fuel Cell ... 10
Gambar 2.7 Alur kerja Regenerative Fuel Cell ... 11
Gambar 2.8 Komponen - komponen Sel Bahan Bakar ... 12
Gambar 2.9 Diagram blok sistem Sel Bahan Bakar ... 14
Gambar 2.10 Ilustrasi Gambar Nafion ... 19
Gambar 2.11 Struktur Kimia Nafion ... 20
Gambar 2.12 Modulus Hambatan & nilai Kelembaban dari Nafion ... 21
Gambar 2.13 Aliran yang masuk dan keluar dari lapisan gas difusi ... 22
Gambar 2.14 Divisi lapisan difusi gas ... 25
Gambar 2.15 Prinsip Kerja Mobil Listrik Sel Bahan Bakar Tipe PEM... 28
Gambar 3.1 Stack... 32
Gambar 3.2 Hydrofill ... 33
Gambar 3.3 hydrostick ... 33
Gambar 3.4 Multitester ... 35
Gambar 3.5 Laptop ... 35
Gambar 3.6 Agilient 34972a ... 36
Gambar 3.7 Cooling Pad... 37
Gambar 3.8 Tampilan Matlab R2008b ... 38
Gambar 3.9 Aquadest ... 38
Gambar 3.11 Ionizer ... 39 Gambar 3.12 Experimental Set Up ... 40 Gambar 3.13 Diagram alir proses pengerjaan tugas akhir ... 42 Gambar 4.1 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat grafik 3D
dari temperatur pada lapisan dalam GDL ... 43
Gambar 4.2 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat grafik 3D
dari temperatur pada lapisan dalam GDL ... 44 Gambar 4.3 Grafik 3D dari temperatur lapisan dalam GDL ... 44 Gambar 4.4 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
temperatur dengan grafik 2D ... 45 Gambar 4.5 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
temperatur dengan grafik 2D ... 46 Gambar 4.6 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
temperatur dengan grafik 2D ... 47 Gambar 4.7 Pemodelan temperatur pada GDL ... 48 Gambar 4.8 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
konsentrasi oksigen dengan grafik 2D ... 49 Gambar 4.9 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
konsentrasi oksigen dengan grafik 2D ... 50 Gambar 4.10 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat pemodelan
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
P Tekanan Pa
T Temperatur K
v Fraksi volume cairan L
Kg Permeabilitas D
u Konsentrasi oksigen -
l Ketebalan mm
NL Fluks cairan W/m2
NW Membran fluks air W/m2 NG,I Membran fluks fase gas W/m2
S Saturasi -
r Radius mm
M Molar M
ΔT Perbedaan Temperatur awal dan akhir K ΔP Perbedaan tekanan awal dan akhir kPa
Huruf Yunani
Simbol Arti Satuan
� Massa Jenis kg/m3
μ Viskositas gas J/kgK
θ Sudut kontak antara cairan dan permukaan -
π Konstanta -
ABSTRAK
Energi menjadi komponen penting bagi kelangsungan hidup manusia karena hampir semua aktivitas kehidupan manusia sangat bergantung pada ketersediaan energi yang cukup dan sumber energi fosil yang mulai menipis. Salah satu bentuk energi alternatif yang menjadi perhatian besar adalah sel bahan bakar dikarenakan energi yang dihasilkan sangat bersih dan lebih efisien. Dalam penelitian ini peneliti mencoba meneliti salah satu dari sel bahan bakar yaitu sel bahan bakar PEM kapasitas 20 W dengan menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui fungsi dari gas diffusion layer dan membran yang digunakan pada proton exchange pada sel bahan bakar. Hasil dari penelitian ini adalah gas diffusion layer berfungsi menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk MEA serta membran yang digunakan pada proton exchange adalah nafion.
ABSTRACT
Energy becomes a critical component to human survival because almost all activities of human life depends on the availability of sufficient energy and fossil energy sources thinning. One form of alternative energy is a major concern because of the fuel cell energy produced very clean and more efficient. In this study, researchers tried to examine any of the fuel cell PEM fuel cell capacity of 20 W by using hydrogen as a fuel. The purpose of this study was to determine the function of the gas diffusion layer and the membrane used in proton exchange fuel cells. The results of this study are the gas diffusion layer functions provide access track reactions and products, help treat water as an end product and provide support for MEA, membrane used in proton exchange is Nafion.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Semua aktivitas kehidupan manusia sangat bergantung pada ketersediaan energi yang cukup. Untuk beberapa tahun kedepan manusia masih akan memakai energi bahan bakar fosil dikarenakan bahan bakar inilah yang mampu memenuhi kebutuhan energi manusia dalam skala yang besar.
Tetapi manusia dihadapi dengan semakin menipisnya bahan bakar fosil yang selama ini digunakan sebagai penghasil energi, maka dicarilah alternatif peralatan lain yang mampu menghasilkan energi tanpa memakai bahan bakar fosil. Selain itu, dampak pemakaian bahan bakar fosil yang menghasilkan gas karbon monoksida (CO), kurang baik bagi kehidupan dan meningkatnya kerusakan lingkungan.
Kebutuhan manusia akan peralatan penghasil energi yang bebas polusi, mudah diaplikasikan, serta fleksibel juga dapat digunakan sebagai energi cadangan di luar ketergantungan kita terhadap energi yang selama ini disuplai oleh negara. Pencarian energi alternatif ini akan lebih meringankan beban negara karena dapat mengurangi jumlah kebutuhan energi untuk masyarakat yang harus disediakan oleh negara.
adalah hidrogen dan menghasilkan uap air sebagai emisi selama berlangsungnya proses. Sel bahan bakar juga mempunyai nilai efisiensi yang baik.
1.2Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui fungsi dari gas diffusion layer pada sel bahan bakar.
2. Mengetahui membran yang digunakan pada proton exchange di sel bahan bakar.
3. Mensimulasikan distribusi temperatur yang terjadi pada lapisan dalam gas diffusion layer dengan menggunakan software MATLAB.
1.3Batasan Masalah
Berdasarkan permasalahan diatas, maka dapat disusun rumusan masalah sebagai berikut:
1. Bahan bakar yang digunakan adalah hidrogen murni.
2. Jenis sel bahan bakar yang digunakan adalah sel bahan bakar Polymer Electrolyte Membrane.
3. Penelitian ini menggunakan software MATLAB.
1.4Manfaat Penelitian
Adapun manfaat pada penelitian ini adalah
1. Mengembangkan energi alternatif yang lebih ramah lingkungan. 2. Mengembangkan energi alternatif yang lebih murah.
3. Menjadi dasar awal dari pengembangan sel bahan bakar.
1.5Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan pada skripsi ini adalah : BAB I PENDAHULUAN
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah, adapun teori yang dikaji antara lain mengenai sel bahan bakar, komponen-komponen sel bahan bakar, sistem sel bahan bakar, hidrogen, struktur dari proton exchange, lapisan difusi gas, dan aplikasi sistem sel bahan bakar.
BAB III METODOLOGI
Bab ini berisi kerangka pemikiran dan langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, juga beberapa aspek yang menunjang metode pengujian antara lain : peralatan pengujian, experimental set-up pengujian, bahan pengujian, prosedur pengujian
BAB VI ANALISA DATA
Bab ini berisi simulasi hasil pengujian dengan menggunakan software MATLAB.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tentang Sel Bahan Bakar
Perkembangan teknologi sel bahan bakar di negara-negara industri maju seperti Amerika dan Eropa dewasa ini semakin terpacu dengan semakin digalakkannya swastanisasi pembangkit listrik tipe desentralisasi. Hal ini sejalan pula dengan kesadaran cinta lingkungan sesuai dengan agenda 21, Earth Summit di Rio De Janeiro, Brazil, 2001.
Teknologi sel bahan bakar menjanjikan pembangkit listrik yang bebas polusi udara dan limbah beradiasi. Asal mulanya diaplikasikan pada teknologi ruang angkasa (stasiun ruang angkasa). Lambat laun teknologi ini dapat bersaing karena ada tendensi yang sangat kuat yaitu harga dan kerapatan energi yang dihasilkan dapat bersaing dengan pembangkit listrik BBM ataupun nuklir sekalipun. Hal ini sangat sukar dicapai oleh tipe energi alternatif yang lain.
Aplikasi teknologi sel bahan bakar yang paling mutakhir adalah digunakannya 12 KW sel bahan bakar alkaline di pesawat ulang-alik NASA. Pada sel bahan bakar ini, hidrogen dan oksigen digunakan untuk proses konversi listrik. Sejak tahun 1970, Departemen Energi Amerika telah melakukan riset tipe Phosophric Acid Fuel Cell (PAFC) untuk pembangkit listrik dan sekarang telah memasuki tahap komersialisasi. Sedangkan di Eropa, perkembangan teknologi sel bahan bakar didukung oleh Negara Uni masyarakat Eropa dan berbagai pihak swasta. Demikian pula di Jepang, pengembangan teknologi sel bahan bakar ini didukung oleh berbagai macam organisasi pemerintah maupun swasta.
Sel bahan bakar sebagai salah satu energi alternatif agaknya dapat menjadi pembangkit energi pada dunia otomotif dan mungkin akan bersaing bahkan akan menggeser tiga pilihan energi konvensional yang kini berkompetensi yaitu : mesin pembakaran internal, mesin baterai isi ulang(rechargeable) dan mesin hibrida.
Sel bahan bakar merupakan alat konversi energi elektrokimia yang akan mengubah hidrogen dan oksigen menjadi air, secara bersamaan menghasilkan energi listrik dan panas dalam prosesnya. Sel bahan bakar merupakan suatu bentuk teknologi sederhana seperti baterai yang dapat diisi bahan bakar untuk mendapatkan energinya kembali, dalam hal ini yang menjadi bahan bakar adalah hidrogen.
Keunggulan utama sel bahan bakar dibandingkan pembangkit listrik konvensional adalah (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
1. Mempunyai efisiensi tinggi dari 50% sampai 70%, sedangkan untuk kogenerasi dapat mencapai 80%,
2. Tidak menimbulkan suara bising,
3. Konstruksinya modular sehingga fleksibel dalam menyesuaikan dengan sumber bahan bakar yang ada,
Berdasarkan elektrolitnya, secara umum sel bahan bakar dapat diklasifikasikan menjadi 7 tipe yaitu :
1. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell
Polymer Electrolyte Membrane (PEM) menyalurkan berat jenis yang tinggi dan menawarkan keuntungan pada berat dan volume yang rendah, dibandingkan dengan sel bahan bakar yang lainnya. Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer solid sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif seperti sel bahan bakar lainnya. Sel bahan bakar PEM biasanya digunakan untuk aplikasi transportasi dan beberapa aplikasi perkantoran.
Gambar 2.1 Alur kerja Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell.
(Sumber
2. Direct methanol fuel cell
sel bahan bakar tersebut. Sel bahan bakar tipe DMFC ini tidak mempunyai permasalahan di tempat penyimpanan seperti sel bahan bakarlain pada umumnya. Hal ini dikarenakan methanol mempunyai berat jenis yang lebih tinggi daripada hidrogen namun lebih kecil daripada minyak diesel atau bensin. Saat ini penelitian dan pengembangan mengenai sel bahan bakar DMFC ini 3 – 4 tahun lebih lambat daripada sel bahan bakarjenis lainnya.
Gambar 2.2 Alur kerja Directmethanol fuel cell (DMFC)
(Sumber :
3. Alkaline fuel cell
Gambar 2.3 Alur kerja Alkaline fuel cell
(Sumber
4. Phosporic acid fuel cell
Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum.
Gambar 2.4 Alur kerja Phosporic Acid Fuel Cell
PAFC ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakar modern. PAFC lebih toleran terhadap ketidakmurnian daripada bahan bakar yang telah diubah menjadi hidrogen daripada sel bahan bakar PEM. PAFC terlihat lebih besar dan berat, dan juga lebih mahal. Seperti halnya sel bahan bakar PEM, PAFC membutuhkan katalis platinum yang lebih mahal, yang mana menaikkan biaya daripada sel bahan bakar.
5. Molten carbonate fuel cell
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 bakar yang bekerja pada temperatur tinggi yang menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt mixture, lithium aluminium oksida (LiAlO2).
Gambar 2.5 Alur kerja Molten Carbonate Fuel Cell
(Sumber :
bahan bakar ini dan elektrolit korosif yang digunakan mempercepat korosi daripada komponen, yang mengurangi umur daripada sel bahan bakar.
6. Solid oxide fuel cell
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan bahan keramik yang keras dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. Karena elektrolit dari sel bahan bakar SOFC ini bersifat padat, sel bahan bakar ini tidak harus dibuat di dalam plat seperti sel bahan bakarjenis lainnya. Sel bahan bakar SOFC ini diharapkan dapat memiliki efisiensi 50 – 60 % untuk mengubah bahan bakar menjadi listrik.
Gambar 2.6 Alur kerja Solid Oxide Fuel Cell
(Sumber
7. Regenerative fuel cell
hidrogen dan oksigen. Sel bahan bakarjenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya.
Gambar 2.7 Alur kerja Regenerative Fuel Cell
(Sumber :
Sel bahan bakar yang digunakan dalam penelitian ini adalah Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell.
2.2 Komponen - komponen Sel Bahan Bakar
Adapun komponen – komponen dari sel bahan bakar dapat terlihat seperti pada gambar 2.8 berikut ini.
Tabel 2.1 Komponen dasar dari PEM Sel Bahan Bakar (Sumber : Colleen Spiegel,2008)
Komponen Kegunaan Bahan yang biasa digunakan Polymer
Electrolyte Membrane
Memungkinan proton daripada hidrogen untuk mengalir dari anoda menuju katoda
Persulfonic Acid Membrane (Nafion
112, 115, 117) Catalyst layers Memisahkan bahan bakar menjadi
proton dan elektron. Proton kemudian disatukan dengan oksidan untuk membentuk air pada katoda sel bahan bakar. Elektron lalu mengalir
menghasilkan daya
Platinum / carbon catalyst
Gas diffusion layers
Memungkinkan bahan bakar / oksidan untuk mengalir melalui lapisan
Polymer Electrolyte Membrane
Carbon cloth atau toray paper
Flow field plates Mengalirkan bahan bakar dan oksidan ke gas diffusion layer
Graphite, Stainless Steel Gaskets Mencegah terjadinya kebocoran bahan
bakar, dan membantu mendistribusikan tekanan secara merata
Silicon , teflon
End plates Menahan lapisan stack tetap pada tempatnya.
2.3 Sistem Sel Bahan Bakar.
Proses penting yang terjadi pada sub-sistem sel bahan bakar adalah proses elektrokimia dimana reduksi-oksidasi gas hidrogen akan menentukan efisiensi listrik yang dihasilkan.
Tentunya hal ini dikaitkan dengan beberapa komponen pokok sehingga aliran gas, reduksi-oksidasi gas, aliran proton dan elektron dapat berjalan sehingga efisiensi sistem pembangkit listrik dapat dicapai. Untuk mendapatkan gambaran secara jelas dari sistem sel bahan bakar ini, dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar 2.9 Diagram blok sistem sel bahan bakar (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
• Membran Elektrolit
• Katalis
Pada komponen ini akan terjadi proses reduksi-oksidasi gas dimana proton dan elektron akan dihasilkan. Dengan ketebalan yang cukup kecil (5-50 mikrometer) diharapkan mempunyai kontak yang cukup baik dengan membran, sehingga akan terjadi mekanisme transfer proton yang cukup baik. Berkaitan dengan reduksi-oksidasi dan air yang dihasilkan sebagai hasil reaksi (katoda) maka hal lain yang dipersyaratkan adalah komponen ini mengandung bahan yang bersifat konduktif terhadap elektron dan bersifat hidrofobik terhadap air. Oleh karena itu proses penggabungan antara ketiga bahan tersebut diperlukan teknologi dan ilmu yang tidak mudah.
• Gas Difusi
Komponen dengan ketebalan (100-300 mikrometer) adalah komponen yang berhubungan langsung dengan lapisan katalis, dibuat dari bahan yang berpori, bersifat konduktif terhadap elektron dan bersifat hidrofobik, sehingga mampu mendistribusikan gas dan air sekaligus sebagai transfer elektron
• Current Collector
Komponen ini terdapat pada bagian luar satu unit sel yang merupakan plate current collector yang mengandung machine gas flow field. Karakteristik penting dari current collector ini adalah bersifat konduktif terhadap elektron, mampu mendistribusikan gas dan impermeable terhadap gas.
2.4 Hidrogen
Hidrogen sedang dikembangkan sebagai media penyimpanan energi. Hidrogen bukanlah sumber energi utama, namun metode penyimpanan energi yang portable, karena hidrogen harus dibuat oleh sumber energi lain. Namun, sebagai media penyimpanan energi, mungkin akan signifikan jika dilihat perannya sebagai energi alternatif.
energi listrik tanpa pembakaran. Proses produksi hidrogen membutuhkan proses pengubahan gas alam oleh uap, atau dengan cara yang mungkin lebih ekologis, elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen. Cara yang lama menghasilkan karbondioksida dalam prosesnya sebagai hasil sampingan.
Kehilangan energi terjadi pada siklus penyimpanan hidrogen dari produksinya untuk pemakaian langsung pada kendaraan, pengembunan atau kompresi, dan konversi kembali menjadi listrik, serta siklus penyimpanan hidrogen untuk pemakaian sel bahan bakar stasioner seperti kombinasi mikro panas dan energi dengan biohidrogen, pengembunan atau kompresi, dan konversi menjadi listrik.
Dengan energi alternatif yang tidak bisa selalu tersedia seperti energi angin dan matahari, output dari kedua energi itu mungkin dapat menjadi energi listrik untuk melakukan elektrolisis. Apapun kemungkinannya, apakah kemampuan konversi energi matahari dan angin menjadi listrik cukup rendah atau energi yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi hidrogen cukup besar, hidrogen hanya akan menjadi media penyimpanan energi dan digunakan hanya jika dibutuhkan.
Ahli nuklir menyatakan bahwa menggunakan energi nuklir untuk menghasilkan hidrogen akan menyelesaikan masalah efisiensi di dalam memproduksi hidrogen. Mereka menggaris bawahi kemungkinan menggunakan pembangkit listrik tenaga nuklir pada kapasitas penuh terus menerus dengan tetap menyalurkan energi listrik ke jaringan transmisi listrik setempat pada beban puncak. Hal ini berarti efisiensi lebih besar juga bagi PLTN tersebut. Reaktor generasi keempat dari PLTN memiliki potensi untuk memisahkan hidrogen dari air dengan cara termokimia menggunakan panas nuklir di siklus iodin-sulfur.
sebagai penyimpanan energi massal yang penting untuk aspek keekonomian hidrogen pada masa depan.
Gas hidrogen adalah gas yang mudah terbakar. Gas hidrogen bersifat eksplosif jika membentuk campuran dengan udara dengan perbandingan volume 4%-75% dan dengan klorin dengan perbandingan volume 5%-95%. Disebabkan gas hidrogen sangat ringan maka api yang disebabkan pembakaran gas hidrogen cenderung bergerak ke atas dengan cepat sehingga mengakibatan kerusakan yang sangat sedikit jika dibandingkan dengan api yang berasal dari pembakaran hidrokarbon. Reaksi spontanitas ini biasanya di picu oleh adanya kilatan api, panas, atau cahaya matahari.
Entalpi pembakaran gas hidrogen adalah -256 kJ/mol dengan reaksi: 2 H2(g) + O(g) => 2H2O(l) + 572 kJ
Hidrogen sangat reaktif dan bereaksi dengan setiap unsur yang bersifat oksidator dan bersifat lebih elektronegatif dibandingkan hidrogen seperti golongan halida. Hidrogen dapat bereaksi secara spontan dengan klorin dan florin pada temperatur kamar membentuk hidrogen halida. Hidrogen juga dapat membentuk senyawa dengan unsur yang kurang bersifat elektronegatif misalnya logam dengan membentuk hidrida. Kelarutan hidrogen dalam pelarut organik sangat kecil jika dibandingkan dengan kelarutannya dalam air. Hidrogen dapat terserap dalam metal seperti baja. Penyerapan hidrogen oleh baja ini menyebabkan baja bersifat mudah patah sehingga menyebabkan kerusakan dalam pembuatan peralatan. Dengan sifat ini maka ilmuwan dapat menyimpan gas hidrogen dalam logam platinum.
Pada suhu normal hidrogen terdapat dalam bentuk diatomiknya akan tetapi pada suhu yang sangat tinggi hidrogen terdisosiasi menjadi atom-atomnya. Atom hidrogen sangat reaktif dan dapat bereaksi dengan oksida logam seperti perak, tembaga, timbal, bismuth, dan raksa untuk menghasilkan logam bebasnya.
dihasilkan melalui beberapa proses seperti: elektrolisa, fotoelektrokimia, stream reforming, fotobiologi, dan lain lain.
Hidrogen dapat pula dihasilkan dengan menggandeng sumber-sumber energi alternatif, seperti : energi air, energi surya, energi angin, dan energi panas bumi. Hidrogen yang dihasilkan dapat disimpan dalam bentuk gas atau cair, sedangkan transportasi dan distribusinya dapat dilakukan dengan berbagai cara. Karena hidrogen hanya ditemukan di alam dalam bentuk senyawa, maka hidrogen harus diproduksi melalui penggunaan energi sebelum hidrogen tersebut tersedia sebagai sumber energi. Dalam hal ini dapat dibedakan antara produksi dengan pembawa energi primer dan produksi dengan pembawa energi sekunder. Produksi energi primer saat ini berarti produksi hidrogen dari bahan bakar fosil melalui pembentukan gas alam dan batubara. Proses lebih lanjut dari produksi ini masih dalam penelitian dan pengembangan.
2.5 Struktur dari Proton Exchange
Bagian dasar dalam membran proton exchange di sel bahan bakar adalah awalnya disusun oleh William T.Grubb pada tahun 1959. Itu adalah usaha awal yang diupayakan untuk meningkatkan polimer asam perflurosulfonic yang menjadi sistem sekarang ini.
Pada sistem sel bahan bakar terdapat membran elektrolit yang merupakan komponen dari sistem ini. Fungsi dari membran pada sel bahan bakar adalah sebagai elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran sel bahan bakar menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada katoda yang menghasilkan energi listrik dapat terjadi. Elektrolit sel bahan bakar PEM harus memenuhi persyaratan berikut agar dapat bekerja secara teratur:
• Konduktivitas ionik tinggi,
• Menyediakan persediaan yang cukup untuk reaktan, • Stabil secara kimia dan mekanikal,
• Konduktivitas elektrik yang rendah, • Dapat dimanufaktur ataupun tersedia, • Harga yang rendah.
Materialnya adalah sebuah penyekat elektrik dan sebagai hasilnya adalah konduksi ion terbawa dengan gugusan ionik dengan struktur polimer. Transportasi ion dalam beberapa jaringan adalah sangat dipengaruhi oleh loncatan dan air bebas yang diasosiasikan dengan jaringan tersebut.
Salah satu membran sel bahan bakar yang digunakan secara komersial adalah Nafion terdiri dari polytetrafluoroethylene (PTFE), mempunyai rumus kimia (C2F4)n pada rantai utama dengan cabang gugus asam sulfonat (SO3H) yang berfungsi sebagai pertukaran proton dan belakangan ini telah dilakukan penelitian untuk mendapat membran alternatif selain Nafion, yaitu Membran Kitosan.
bersifat hidrofobik dan gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofobik. Gugus sulfonat merupakan super asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke katoda sementara elektron tidak diizinkan lewat.
Gambar 2.10 Ilustrasi Gambar Nafion (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Gambar 2.11 Struktur Kimia Nafion (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Gambar 2.12 menunjukkan kumpulan dari membran elektrolit Nafion, gambar tersebut diperoleh dari 1 Hz dengan pembakitan sinyal 30 mV, 0.4 V arus DC katoda (terdapat reaksi reduksi oksigen, ini menurunkan transfer hambatan Faraday dan meningkatkan sinyal). Gambar 2.12 juga membandingkan respons yang mengganggu dari sebuah Nafion membran kering (0% kelembaban relatif, udara temperatur ruangan) melawan area yang sama dengan membran yang sama ketika berair (30% kelembaban relatif, udara suhu ruangan). Level kebasahan dari elektrolit Nafion dapat menyebabkan pengaruh pada pencegahan konsentrasi dan konduktivitas proton
Secara umum sudah diketahui bahwa Nafion adalah bukan sebuah material homogen, tetapi terdiri dari hidrofobik dan tahapan hidrofobik (daerah yang terpisah). Ciri – ciri yang nyata yang dapat dilihat dari hambatan pada Nafion digambarkan di bawah yang dapat dicocokkan pada daerah hidrofobik dalam
membran. Dan ukuran yang nyata dari daerah ini (menunjukkan 1 μm gambar )
adalah golongan dari beberapa ratus nanometer.
Di pasaran, harga Nafion masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk mengembangkannya di Indonesia. Membran ini bersifat selektif semipermeabel terhadap proton dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya yang kecil. Namun, sebagai membran sel bahan bakar juga harus berperan sebagai media transport proton.
Salah satu material yang diduga dapat menggantikan Nafion adalah kitosan. Kitosan merupakan polielektrolit alam dengan beberapa sifat penting yang diperlukan untuk material membran. Sifat-sifat tersebut antara lain inert, hidrofobik, dan tidak larut dalam air serta pelarut organik.
2.6 Lapisan Difusi Gas
Gambar 2.13 Aliran yang masuk dan keluar dari lapisan gas difusi (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
MEA juga memungkinkan produk-produk reaksi berupa air untuk keluar ke permukaan elektroda dan memungkinkan lewatnya air diantara elektroda dan saluran aliran.
Lapisan difusi gas menyediakan beberapa fungsi untuk sel bahan bakar PEM yaitu untuk menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk MEA. Tabel 2.2 Persamaan yang digunakan pada pemodelan lapisan gas difusi (Sumber: Colleen Spiegel, 2008)
Karakterisik model Deskripsi / persamaan jumlah dimensi 1, 2, atau 3
Mode operasi Dinamis atau keadaan steady
fase Gas, cairan atau kombinasi dari gas dan cairan
Transportasi massa Persamaan Stefan-Maxwell Transport ion Hukum Ohm
Kesetimbangan energi Isothermal atau kesetimbangan energi
Gas difusi terbuat dari bahan rapuh, bahan konduktif elektrik. Media difusi kebanyakan terdiri dari lapisan difusi gas tunggal atau struktur komposit dari lapisan difusi gas dan lapisan pori mikro. Kebanyakan model dalam literatur hanya mencakup lapisan difusi gas tersebut.
Tabel 2.3 Sifat kertas karbon yang digunakan komersial sebagai substrat untuk elektroda sel bahan bakar PEM (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Kertas karbon Ketebalan (mm) Sifat menyerap (%)
Massa jenis(g/cm3)
Kureha E-715 0.35 60 to 80 0.35 to 0.40 Spectracarb
2050A-1041
0.25 60 to 90 0.40
GDL dapat ditambah dengan fluoropolimer dan karbon hitam untuk meningkatkan pengelolaan air dan sifat listrik. Jenis material ini memberikan keefektifan reaktan dari difusi gas ke perakitan membran/elektroda. Struktur ini memungkinkan gas untuk menyebar karena berdifusi untuk memaksimalkan permukaan bidang kontak dari membran lapisan katalis. Ketebalan dari berbagai bahan gas difusi bervariasi antara 0,0017 dan 0,04 cm, kerapatannya bervariasi antar 0,21 dan 0,73 g/cm2, dan porositas bervariasi antara 70% dan 80%. GDL yang paling umum digunakan adalah bahan kain karbon dan kertas karbon. Sifat dari beberapa karbon yang tersedia secara komersial ditunjukkan pada tabel 2.3. GDL membantu untuk mengelola air dalam sel bahan bakar PEM karena ini memungkinkan jumlah air yang tepat untuk menyentuh perakitan membrane/elektroda untuk menjaga kelembaban membran. Selain itu, ini membantu mengeluarkan air dari keluar katoda untuk mencegah terjadinya luapan air. Lapisan ini biasanya tahan air untuk memastikan pori-pori di kain atau kertas karbon tidak tersumbat oleh air.
Banyak perawatan yang ada untuk lapisan difusi gas. Sebagian besar perawatan digunakan untuk membuat media difusi hidrofobik untuk menghindari luapan air dalam sel bahan bakar. Media difusi anoda atau katoda, atau keduanya dapat menggunakan PTFE. Bahan difusi dicelupkan ke dalam 5% sampai 30% solusi PTFE, diikuti dengan pengeringan dan sintering. Antarmuka dengan lapisan katalis dapat dilengkapi dengan lapisan coating atau pori-pori mikro untuk memastikan kontak listrik yang baik dan transportasi air yang masuk dan keluar dari lapisan difusi. Lapisan ini terdiri dari partikel-partikel karbon atau grafit dicampur dengan pengikat PTFE. Pori-pori yang dihasilkan adalah antara 0,1 dan 0,5 mm dan jauh lebih kecil dari ukuran kertas serat karbon.
hydrogeological. Perbedaan antara lapisan GDL dan permodelan dari tanah yang tidak tersaturasi adalah GDL merupakan hidrofobik, distribusi ukuran pori berbeda, dan GDL adalah campuran dari karbon yang tidak homogen. Dengan mengabaikan perbedaan ini, model hydrogeological cukup berguna untuk permodelan sel bahan bakar GDL. Bagaimanapun, kadangkala sulit untuk menggunakan model ini karena terdapat banyak sifat seperti temperatur, fasa, tekanan, dan kecepatan di dalam dan sekeliling GDL adalah parameter yang tidak diketahui ketika sel bahan bakar beroperasi.
Bentuk sederhana ditunjukkan pada gambar 2.14. Garis titik – titik pada bagian atas daripada gambar 2.14 menunjukkan porsi dari saluran dimana gas mengalir melewatinya. Bagian bawah diagram adalah sisi katalis dimana panas dan air ditambahkan ke dalam sistem, dan gas diserap. Pada bagian atas sisi saluran, gas ditambahkan, dan panas dan air dipindahkan. Sejak setengah dari bagian atas adalah material katoda solid, dan sebagian lagi adalah saluran terbuka, kondisi batas telah bercampur. Porsi dimana tidak terdapat fluks di dalam katoda adalah kondisi batas Neumann, dan porsi dimana tidak terdapat cairan di dalam saluran adalah kondisi batas Dirichlet.
(Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
GDL pada gambar 2.14 ; d adalah panjang, dan h adalah tinggi. Aspek rasio adalah parameter perturbation, dan dapat dituliskan sebagai ε = h/d<<l. Permukaan bawah berbatasan dengan lapisan katalis katoda, dan permukaan atas terbuka untuk saluran pada sebelah kiri dan kanan. Daerah tengah berbatasan dengan katoda grafit. Saluran dapat berada pada tekanan berbeda, dan seluruh kuantitas diasumsikan pada kondisi normal. Tekanan, P, temperatur, T,
konsentrasi oksigen, u, konsentrasi uap air, v, dan fraksi volume cairan, θ, akan
dihitung. Semua variabel akan dihitung dalam fungsi θ.
Pada proses tersebut menunjukkan sebagaimana transport dari aliran dalam media berpori yang tidak tersaturasi, dengan persamaan yang digunakan adalah persamaan Richard, yang memberikan kecepatan uap basah (Vθ) dari cairan dan uap pada media berpori. Potensial total harusnya juga mempunyai komponen gravitasi, tetapi telah dihilangkan dikarenakan terdapat sedikit cairan. Potensial uap basah harus meliputi semua sifat yang relevan dari GDL, seperti potensial liku dan pembasahan.
Dalam hal untuk membentuk temperatur, syarat dibawah ini harus dimasukkan ke dalam :
1. Hukum Fourier untuk konduksi patnas 2. Konveksi
3. Panas yang dihasilkan oleh kondensasi 4. Kehilangan panas akibat evaporasi
Dalam kasus tidak adanya cairan, segala syarat karena θ diabaikan. Juga, syarat kondensasi dan evaporasi dikeluarkan dari persamaan. Apabila fasa gas berkonveksi, kecepatan ditentukan menggunakan hukum Darcy:
Dimana Kg adalah permeabilitas GDL terhadap gas dan μ adalah viskositas gas. Permeabilitas Kg bergantung terhadap θ karena cairan akan menghilangkan ruang
pori – pori untuk gas.
Untuk kasus tanpa cairan, tanpa konveksi dan fluks konstan, transport sekarang hanya akan tersisa Fickian, dan tekanan konstan. Ketika menguji kondisi batas dengan tekanan konstan, batas dari positif dan negatif x adalah simetris x=0. Pada batas dari -1≤ x ≤1 digunakan, Pada sambungan katoda lapisan katalis, fluks konstan diasumsikan. Kumpulan transformasi adalah :
f1 = z + iy (2.2) Persamaannya kemudian menjadi :
Ti= Rf4 (2.6) Dimana Ti adalah temperatur dalam
2.7 Aplikasi Sistem Sel Bahan Bakar
Sebagai pembangkit listrik (Stationary Power Generation) sifat sistem ini yang bersih dari pencemaran udara dan tidak bising, akan sangat cocok digunakan di rumah sakit, perumahan yang padat, apartemen, dan instalasi penting baik sipil maupun militer. Penggunaan sumber energi sel bahan bakar pada kapal selam mempunyai beberapa keuntungan, yaitu pada saat menyelam, mesin diesel dimatikan dan mesin listrik dengan seldihidupkan.
sampai dengan tahun 2000, dan sampai dengan 5-10 tahun mendatang diperkirakan PLN tidak akan memiliki kemampuan untuk investasi skala besar dalam memperluas jaringannya. Sel bahan bakar sebagai pembangkit listrik akan merupakan salah satu teknologi yang berpotensi untuk diaplikasikan dalam pemenuhan kebutuhan listrik penduduk. Dengan keunggulan sel bahan bakar yang sangat fleksibel dalam penggunaan bahan bakar, bentuknya yang modular dan mudah dioperasikan serta tidak memerlukan jaringan, maka sel bahan bakar sangat cocok untuk diaplikasikan pada daerah terpencil.
Sel bahan bakar juga cocok diaplikasikan untuk keperluan penyediaan listrik pada sistem TV repeater seperti ditunjukkan pada gambar 2.15, signal lampu kereta, dan keperluan lainnya yang membutuhkan catu daya listrik yang relatif kecil.
Gambar 2.15 Prinsip Kerja Mobil Listrik Fuel Cell Tipe PEM (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
2.7.1 Penerapan Sel Bahan Bakar Sebagai Pembangkit Listrik Skala
Di Indonesia bahan bakar fosil (primary energy) merupakan bahan bakar utama pembangkit listrik. Pada tahun 2003 kebutuhan energi untuk pembangkit listrik Indonesia diproyeksikan akan mencapai 192.080 GWH, 86% nya dipenuhi oleh bahan bakar fosil. Untuk keperluan tersebut batubara akan dibakar sebanyak 61,394 juta ton, sedangkan konsumsi minyak dan gas bumi sehingga dikhawatirkan Indonesia akan mengimpor minyak pada saat ini. Melihat proyeksi kebutuhan energi yang besar ini dan guna meningkatkan peran swasta menengah, pemerintah telah mengeluarkan pola mekanisme kerjasama dalam bidang pembangkit listrik antara PLN dan swasta. Diharapkan swasta menegah dapat berpartisipasi pada proyek ketenagalistrikan berskala kecil, dalam hal : konsultasi, rekayasa peralatan pembangkit listrik, pembangunan dan pemasangan serta pemerliharaan peralatan, menunjang penyediaan tenaga listrik dan tenaga ahlinya. Peningkatan permintaan energi listrik di seluruh dunia menyebabkan pemacuan penelitian untuk meningkatkan efisiensi berbagai teknologi pembangkit listrik yang menggunakan bahan bakar fosil, antara lain:
• Conventional Steam Turbine (gas/coal) • Combined Cycle (steam and gas)
• Pressurized, Fluidized – Bed Combustion • Steam – Injected Gas Turbin
• Intercooled Steam – Injected Gas Turbin • Fuel Cell
Dari beberapa jenis sel bahan bakar yang ada, masing-masing mempunyai spesifikasi dalam aplikasinya, karena hal ini berkaitan dengan kondisi operasi sel bahan bakar tersebut. Sel bahan bakar dengan kondisi operasi pada suhu seperti PEMFC cocok digunakan pembangkit listrik skala kecil (portable power) sedangkan sel bahan bakar dengan suhu operasi menengah dan suhu tinggi seperti : PAFC, MCFC, dan SOFC sangat cocok untuk aplikasi pembangkit listrik skala besar (power plant) karena mampu untuk diaplikasikan pada co-generation dan combined cycle.
Untuk keperluan listrik perumahan, PEMFC dapat menggunakan bahan bakar gas alam atau LPG setelah melalui proses reformasi menjadi gas hidrogen.
2.7.2 Penerapan Sel Bahan Bakar di Sektor Transportasi
Suatu alat transportasi sangat berhubungan dengan berat total kendaraan dan bahan bakar yang digunakan merupakan suatu zat dari sistem yang mempengaruhi berat total kendaraan dan kinerjanya. Jika digunakan bahan bakar yang mempunyai nilai kalor tinggi, maka kinerja akhir kendaraan dapat dikatakan baik. Seperti diketahui, hidrogen sebagai energi alternatif merupakan senyawa bahan bakar yang pada saatnya nanti menjadi suatu sumber energi yang sangat potensial, bersih dan efisien. Bila hidrogen digunakan sebagai bahan bakar fuel cell, maka mobil listrik akan menjadi ringan dibandingkan bahan bakar lain. Hal ini disebabkan energi per satuan beratnya lebih tinggi.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Dalam melakukan penelitian daripada sel bahan bakar, pertama-tama harus dilakukan set up terhadap sel bahan bakar agar dapat dioperasikan.
3.1 Peralatan pengujian
Adapun beberapa peralatan pengujian yang digunakan adalah : 1. Fuel cell stack 20W
Fuel cell ini merupakan peralatan yang digunakan untuk menghasilkan listrik setelah dialirkan hidrogen murni hasil elektrolisis. Berikut ini adalah spesifikasi sel bahan bakaryang digunakan :
Type of fuel cell : PEM Number of cell : 13
Rated Power : 20W
Performance : 7,8V @2.6A Purging valve voltage : 6V
Blower voltage : 5V
Reactants : hidrogen dan air External temperature : 5 to 30oC
Max stack temperature : 55oC
Gambar 3.1 Stack
2. Hydrofill
Hydrofill berfungsi sebagai alat untuk menghidrolisis H2O dari aquadest menjadi molekul H2 (hidrogen murni) dan O2. Berikut ini adalah spesifikasi dari hydrofill yang digunakan :
Water input : De-ionized or distilled water only Hydrogen generation capacity : 0 – 3 L/h
Purity : 99.99 %
Input voltage : DC : 2.5 V – 3.3 V Rated power : ≤ 23W
Hydrogen output pressure : 0 – 3.3 MPa
Dimensions : 145 x 208 x 153 mm
Weight : 1.8kg ± 5%
Gambar 3.2 Hydrofill
3. Hydrostik
Hydrostik merupakan salah satu tabung yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan hidrogen murni hasil hidrolisis aquadest yang dilakukan oleh hydrofill. Berikut ini adalah spesifikasi dari hydrostik yang digunakan : Capacity : 10 L Hidrogen
Cartridge size : ɸ22 x 85mm Storage material : Metal hydride Rated charging pressure : 2.8 MPa
4. Multitester
Multitester berfungsi sebagai alat untuk mengukur arus hambatan, tegangan, dan arus yang dihasilkan setelah fuel cell beroperasi. Spesifikasi dari multitester yang digunakan adalah :
Gambar 3.4 Multitester 5. Laptop
Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Agilient 34972a.
6. Agilient 34972a
Alat ini dihubungkan dengan termocouple yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya,setelah itu akan disimpan ke dalam alat ini, setelah itu dipindahkan ke komputer untuk dapat di olah datanya
Gambar 3.6 Agilient 34972a Dengan spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah Saluran termocouple 20 buah c. Tegangan 250 Volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Dapat memindahkan data hingga 250 saluran per detik f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem control
g. Fungsional antara lain pembacaan suhu termocouple, RTD dan termistor, arus listrik AC
7. Cooling Pad
Gambar 3.7 Cooling Pad 8. Software MATLAB
MATLAB (singkatan dari MATrix LABoratory) adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi keempat yang dikembangkan oleh The MathWorks.Inc. MATLAB memungkinan manipulasi matriks, pemplot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan peng-antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya.
Karakteristik MATLAB :
• Bahasa pemogramannya berdasarkan pada matrik (baris dan kolom).
• Tersedia banyak toolbox untuk aplikasi-aplikasi khusus seperti Simulink, Neural network, State Flow, Data Acquisition Toolbox, Communications Blockset, Fuzzy Logic Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Signal Processing Blockset dan lain sebagainya.
• Memiliki waktu pengembangan program yang lebih cepat dibandingkan dengan pemrograman tradisional, seperti Fortran dan C.
Gambar 3.8 Tampilan Matlab R2008b
3.2 Bahan Pengujian
Beberapa bahan yang digunakan untuk pengujian adalah : 1. Aquadest
Digunakan sebagai bahan awal yang dielektrolisis menggunakan Hydrofill
untuk menghasilkan hidrogen murni yang pada akhirnya digunakan sebagai bahan bakar untuk menggerakkan fuel cell.
2. Acid powder
Digunakan dalam penelitian ini adalah jenis apple acid powder. Acid powder berfungsi agar performa dari hydrofill pada saat menghidrolisa, aquadest menjadi hidrogen tetap terjaga.
Gambar 3.10 Acid powder 3. Ionizer
Digunakan untuk membantu proses hidrolisa air untuk memisahkan molekul oksigen dan hidrogen menggunakan hydrofill.
Gambar 3.11 Ionizer
3.3 Experimental SetUp
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.
Gambar 3.12 Experimental Set Up
3.4 Prosedur Pengujian
Adapun prosedur pengujian yang akan dilakukan adalah :
1. Acid Powder dituangkan ke dalam Hydrofill kemudian dimasukkan Aquadestdan lalu dimasukkan Ionizer.
3. Pada saat pengisian hidrogen ke dalam hydrostik ini, dilakukan pengambilan data suhu air dengan menggunakan Agilient 39472a. 4. Setelah hydrostik penuh, lampu yang terdapat pada hydrofill berubah
menjadi hijau dari warna merah.
5. Hydrostik selanjutnya dihubungkan ke fuel stack yang dihubungkan ke cooling pad.
Berikut ini adalah diagram alir dari tahapan proses yang dilaksanakan pada skripsi ini
Gambar 3.13 Diagram alir proses pengerjaan tugas akhir Tidak
Ya
Buku referensi, Jurnal dll Studi
literatur
Pengujian dan pengambilan data mengunakan agilient hydrostik dihubungkan
ke hydrofill
Pengisian Hidrogen
hydrostik dihubungkan ke Fuel
stack
Apakah bisa? Mulai
Simulasi menggunakan software MATLAB
Kesimpulan dan saran
BAB IV
ANALISA DATA
4.1Simulasi pemodelan temperatur pada lapisan dalam Gas Diffusion Layer
Dengan menggunakan software MATLAB untuk membuat simulasi pemodelan lapisan dalam dengan asumsi panjang sumbu x: 1,6; panjang sumbu y: 1,0 ; grid point sumbu x: 201 ; grid point sumbu y: 201 ; perturbation parameter: 0,2 dengan perintah-perintah sebagai berikut :
Gambar 4.1 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat grafik 3D dari temperatur pada lapisan dalam GDL
Gambar 4.2 Perintah-perintah yang digunakan untuk membuat grafik 3D dari temperatur pada lapisan dalam GDL
4.2 Simulasi pemodelan temperatur dan konsentrasi oksigen pada Gas
Diffusion Layer
Dengan menggunakan software MATLAB untuk membuat pemodelan temperatur dan konsentrasi oksigen dengan asumsi panjang sumbu x: 2,0; panjang sumbu y: 1,0 ; grid point sumbu x: 101 ; grid point sumbu y: 65 ; perturbation parameter: 0,2 dengan perintah-perintah sebagai berikut :
• Pemodelan temperatur
Simulasi pemodelan temperatur dengan grafik 2D yang didapat dengan menggunakan software MATLAB adalah
• Pemodelan konsentrasi oksigen
Simulasi pemodelan konsentrasi oksigen dengan grafik 2D yang didapat dengan menggunakan software MATLAB adalah
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan1. Gas diffusion layer pada sel bahan bakar Polymer Electrolyte Membrane berfungsi menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk Membrane Electroda Assembly.
2. Membran yang digunakan pada proton exchange adalah Nafion.
3. Hasil simulasi menggunakan software MATLAB menunjukkan adanya penurunan temperatur yang terjadi pada lapisan dalam gas diffusion layer.
5.2 Saran
1. Untuk mengoptimalkan penggunaan sel bahan bakar Polymer Electrolyte Membrane, digunakan air murni untuk menjaga tidak terjadinya korosi di dalam sel bahan bakar tersebut.
2. Agar dapat ditingkatkan lagi tingkat efisiensi daripada sel bahan bakar pada saat pengisian hidrogen ke dalam hydrostick.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Benziger, Jay & David Blackwell. 2005. Water Flow in the Gas Diffusion Layer of PEM Fuel Cells.(5 Agustus 2012).
[2] Berry M. & Macdonald A. 2000. Energy Through Hydrogen. Heliocentris [3] Cook, Brian. 2001. An Introduction to Fuel Cells and Hydrogen
Technology. Canada
[4] Ganesha TC. 2001. Mobil Listrik Fuel Cell.Tekno Energi.(25 September 2012)
[5] Hasan, Ahmad. 2007. Aplikasi Sistem Fuel Cell Sebagai Energi Ramah Lingkungan di Sektor Transportasi dan Pembangkit. Jakarta
(14 Oktober
2012)
[7] I. EG&G Services Parsons. 2000. Fuel Cell Handbook. Morgantown [8] Larminie J. & Dicks A. 2000. Fuel Cell Systems Explained, John Wiley &
Sons
[9] Nelson, Richard G. 2002. Fuel Cell Proposal
[10] Rayment, Chris and Scott Sherwin. 2003. Introduction to Fuel Cell Technology. Notre Dame
[11] Sauer, Dirk Uwe. 2003.Hydrogen Storage Fuel Cell.
LAMPIRAN A
Suhu air pada saat hidrolisa aquadest menjadi hidrogen murni tanggal 25 Mei 2012
LAMPIRAN B
LAMPIRAN C
Suhu air pada saat hidrolisa aquadest menjadi hidrogen murni tanggal 29 Mei 2012
LAMPIRAN D
LAMPIRAN E
Suhu air pada saat hidrolisa aquadest menjadi hidrogen murni tanggal 30 Mei 2012
LAMPIRAN F
LAMPIRAN G
Suhu air pada saat hidrolisa aquadest menjadi hidrogen murni tanggal 11 Juni 2012
Time Suhu Air
LAMPIRAN H
LAMPIRAN I
Perintah - perintah untuk penyelesaian permasalahan permodelan temperatur pada lapisan dalam GDL.
% Define the parameters
eps = 0.2; % Perturbation Parameter
% Define the number of grid points in x and y direction % nx = number of grid points in x direction
% ny = number of grid points in y direction nx = 201;
ny = 201;
% Define the dimension of the domain
Lx = 1.6; % Length in x of the computation region Ly = 1.0; % Length in y of the computation region % Calculate the mesh size
hx = Lx/(nx-1); % Grid spacing in x hy = Ly/(ny-1); % Grid spacing in y % Generate the mesh/grid
x(1) = -1.8;
% Make a 3D plot of Ti fi gure
surf(Z,Y,Ti,‘EdgeColor’,‘none’) set(gca,‘DataAspectRatio’,[1 1 1]) axis([-4.0 4.0 0 1 0 1])
LAMPIRAN J
Perintah - perintah untuk penyelesaian permasalahan permodelan temperatur pada GDL.
% Define the parameters
eps = 0.2; % Perturbation Parameter
% Define the number of grid points in x and y direction % nx = number of grid points in x direction
% Calculate a optimum value of SOR parameter omega1 = (16.0+sqrt((256.0-(64.0 * t))))/(2.0 * t); omega2 = (16.0-sqrt((256.0-(64.0 * t))))/(2.0 * t); oopt = min(omega1,omega2)
if ( (oopt <= 1.0) || (oopt >= 2.0 )) oopt = 1.0;
end
omega = oopt;
% Define the dimension of the domain
Lx = 2.0; % Length in x of the computation region Ly = 1.0; % Length in y of the computation region % Calculate the mesh size
hx = Lx/(nx-1); % Grid spacing in x hy = Ly/(ny-1); % Grid spacing in y % Generate the mesh/grid
end
for j = 2:ny y(j)=y(j-1)+hy; end
% Solve the Temperature equation
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Initialize the temperature field as zero
T = zeros(nx,ny);
% Max-Norm on Error {L-inf Error) Initialized Linf = 1.0;
iteration = 0;
while (Linf > 1.0e-5) iteration = iteration+1;
% Store the old values of T in Told Told = T;
% Apply the boundary conditions for i = 1:nx
% BC for the bottom boundary T(i,1)=T(i,2)+hy;
% Now compute the interior domain using 2nd order finite difference for i = 2:nx-1
for j = 2:ny-1
term1 = ((eps/hx)^2) * (T(i-1,j)+T(i+1,j)); term2 = ((1.0/hy)^2) * (T(i,j-1)+T(i,j+1)); num = term1+term2;
den = 2.0 * (((eps/hx)^2)+((1.0/hy)^2)); Tgs = num/den;
end end
% Calculate the error Terr = abs(T-Told); Linf = norm(Terr,2); % Plot the solutions figure
[X,Y] = meshgrid(x,y);
clevel = [-1 -0.005 0 0.053 0.152 0.252 0.352 0.451 0.551 0.65 0.75 0.949 1.049 1.148 1.248 1.348 1.447 1.547 1.646 1.746 1.848 1.945 2.0 3.0];
contourf(X’,Y’,T,clevel) colorbar
axis([-1.2 1.2 -0.8 1.8]) xlabel(‘ x ’)
ylabel(‘ y ’) zlabel(‘ T(x,y) ’) hold on
LAMPIRAN K
Perintah - perintah untuk penyelesaian permasalahan permodelan konsentrasi oksigen pada GDL.
% Define the parameters
eps = 0.2; % Perturbation Parameter
% Define the number of grid points in x and y direction % nx = number of grid points in x direction
% Calculate a optimum value of SOR parameter omega1 = (16.0+sqrt((256.0-(64.0 * t))))/(2.0 * t); omega2 = (16.0-sqrt((256.0-(64.0 * t))))/(2.0 * t); oopt = min(omega1,omega2)
if ( (oopt <= 1.0) || (oopt >= 2.0 )) oopt = 1.0;
end
omega = oopt;
% Define the dimension of the domain
Lx = 2.0; % Length in x of the computation region Ly = 1.0; % Length in y of the computation region % Calculate the mesh size
hx = Lx/(nx-1); % Grid spacing in x hy = Ly/(ny-1); % Grid spacing in y % Generate the mesh/grid
end
for j = 2:ny y(j)=y(j-1)+hy; end
% Solve the Oxygen concentration equation
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %omega = 1.0; % SOR parameter
% Initialize the oxygen concentration field as zero u = zeros(nx,ny);
% Max-Norm on Error {L-inf Error) Initialized Linf = 1.0;
iteration = 0;
while (Linf > 1.0e-5) iteration = iteration+1;
% Store the old values of T in Told uold = u;
% Apply the boundary conditions for i = 1:nx
% BC for the bottom boundary u(i,1)=u(i,2)-(1.81 * (eps^2) *hy); % BC for the top boundary
% Now compute the interior domain using 2nd order finite difference for i = 2:nx-1
for j = 2:ny-1
den = 2.0 * (((eps/hx)^2)+((1.0/hy)^2)); ugs = num/den;
u(i,j) = (omega * ugs)+((1.0-omega) * uold(i,j)); end
end
% Calculate the error uerr = abs(u-uold); Linf = norm(uerr,2); % Plot the solutions figure
[X,Y] = meshgrid(x,y);
clevel = [-1 -0.5 -0.087 -0.031 0 0.025 0.08 0.136 0.192 0.247 0.303 0.359 0.415 0.47 0.526 0.582 0.638 0.693 0.749 0.805 0.86 0.916 0.972 1 3.0];
contourf(X’,Y’,u,clevel) colorbar
axis([-1.2 1.2 -0.8 1.8]) xlabel(‘ x ’)
ylabel(‘ y ’) zlabel(‘ u(x,y) ’) hold on
CARA PEMAKAIAN AGILIENT 34972A
(Sustainable Energy Research Centre)
Untuk pengukuran temperatur di Sustainable Energy Research Centre, mengunakan 2 perangkat yaitu Agilient 34972A dan thermocouple
1. Thermocouple
Kabel yang digunakan mengukur temperatur, biasanya dilekatkan/ditempel pada titik yang akan diukur temperaturnya
2. Agilient 34972A
Perangkat ini lebih berfungsi kepada sebagai alat baca temperatur. thermocouple yang telah ditempel sudah tersambung dengan agilient, bisa langsung di baca .
Cara pengoperasian Agilient 34972A :
1. Pasang thermocouple pada titik-titik yang akan di baca temperaturnya 2. Agilient 34972A : Power On, terlihat pada gambar :
3. Tunggu Loading…
4. Setelah dibuka, akan langsung terbaca suhu pada setiap titik , dapat dilihat pada gambar :
Power ON
Jika thermocouple yang dipasang ada 20 titik, maka yang terbaca juga akan ada 20(dua puluh) titik. Tulisan daripada Channel adalah
101,102,…..110,111…….120. Namun yang dibaca adalah satuan dan puluhannya. Jika mau membaca titik 1, maka channel yang dibuka adalah channel 101 dst, jika mau membaca titik 11, maka channel yang dibuka adalah 111 dan seterusnya.
Putar ke kanan dan putar ke kiri buat mengganti channel.
5. Setelah mengerti cara membaca masing-masing titik, sekarang kita akan mencoba menyimpan data yang telah dibaca (otomatis), Siapkan Flash disk , Colokkan dibelakang agilient . Setelah itu kita mengeset agilientnya. Yang perlu kita ketahui adalah :
• Berapa selang waktu yang kita mau untuk 1 x scan?
• Berapa lama waktu yang mao kita suruh si agilent menyimpan data? Contoh
Saya mau 1 menit 1 x scan, dan dari jam 9 pagi ampe jam 3 siang. Berarti Interval = 1menit, lama scan= 6 jam, total scan = 6 jam x 60 menit = 360 scan
Tombol Putar
6. Tekan tombol Interval, Masukkan interval nya 1 menit , Format pada layar adalah HH:MM:SS
(Hour:Minutes:Second) karena tadi kita mau 1 menit, format menjadi
00:01:00 . Jika mau diubah tekan tombol kanan kiri, kemudian putar sampai dapat interval yang diinginkan . Untuk mengkonfirmasi tekan tombol interval beberapa kali.
7. Setelah itu tekan tombol scan ini dimaksudkan untuk memulai proses penyimpanan dengan interval dan waktu yang telah anda tentukan tadi.
8. Scan telah dimulai , silahkan tunggu.
9. Setelah selesai, shutdown saja dengan tekan Power On . Ambil flashdisk.
NB:
• Jika terjadi kerusakan(temperatur naik turun secara drastis), ujung thermocouple yang ditempelkan pada titik harus dicouplekan lagi. Bisa dengan cara menyolder atau yang lainnya. • Untuk menghentikan scan, tekan lagi tombol scan dan ditahan
beberapa detik.
• Jaga dan rawatlah peralatan-nya Tombol Scan
