SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN
BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FRANS
NIM. 080401040
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2012
KATA PENGANTAR
Puji syukur dan terima kasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Simulasi Aliran Fluida Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, Namun berkat dorongan, semangat, do’a dan bantuan baik materiil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1.
Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST,MT. selaku Dosen pembimbing, yang dengan
penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2.
Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen pembanding I dan Bapak Ir. Syahrul Abda,M.Sc
selaku Dosen pembanding II.
3.
Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
4.
Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera.
5.
Kedua orang tua penulis yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan,
do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah
membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
7.
Teman-teman satu team skripsi, Juwirianto, William Ryan Wijaya, Rezky Putra
Pratama, Ismail Rusli dan Otto Sebastian yang telah membantu dan memberikan
dukungan.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini kurang sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, 23 Oktober 2012
FRANS
ABSTRAK
Pada tumpukan sel bahan bakar membran elektrolit polimer, salah satu masalahnya berupa kecepatan laju aliran pada ruang alir yang berpengaruh terhadap reaksi dalam tumpukan sel bahan bakar. Oleh sebab itu dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mengetahui besarnya simpangan kecepatan, jenis aliran dalam ruang alir dan jenis ruang alir yang di simulasikan. Air murni dan sel bahan bakar jenis membran elektrolit polimer menjadi batasan masalahnya. Manfaat penelitian adalah mengurangi penggunaan sumber bahan bakar fosil, menutupi kekurangan dari tumpukan sel bahan bakar. Metode yang digunakan untuk mencapai tujuan adalah melalui perhitungan teori dan simulasi menggunakan aplikasi CFD. Hasil yang di peroleh adalah besarnya simpangan kecepatan yang terjadi sebesar 36,98%, jenis aliran yang terjadi pada ruang alir berupa aliran laminar dan jenis ruang alir yang di simulasikan merupakan ruang alir tanpa pencabangan atau ruang alir serpentine. Kesimpulan penelitian adalah besarnya simpangan kecepatan berdampak terhadap ketidak optimalan sel bahan bakar, jenis aliran laminar menghasilkan keseragaman kerapatan dan kecepatan yang berdampak terhadap ketidak optimalan sel bahan bakar yang tidak terlalu besar, jenis ruang alir serpentine dapat di manfaatkan sifat simetrisnya sehingga keoptimalan iterasi aplikasi CFD meningkat.
Kata kunci : Sel bahan bakar, Membran Elektrolit Polimer, CFD (Computational Fluid Dynamic)
ABSTRACT
On the stack polymer electrolyte membrane fuel cell, one of the problem was the flow velocity at the flow field that affected the reaction at the fuel cell stack. Therefore the purpose of the research was to know how much the velocity deviation, type of flow and type of flow field that being simulated. Aquadest and polymer electrolyte membrane fuel cell was the extent of the problem. Benefit of the research was to decrease the used of fosil, decrease the shortage of the fuel cell staack. The method useed to achieve the purpose was teoritical calculation and simulation using CFD software. The result obtained is the velocity deviation was 36,98%, type of flow occured at the flow field was laminar flow dan type of the flow field that being simulated was serpentine flow field. The research conclusion the amount of velocity deviation effect the unoptimal of the fuel cell, laminar flow produce the uniformity of density and velocity that effect a little of unoptimal of the fuel cell, serpentine flow field symetry could be used to achieve higher iteration optimal of CFD,
Key Word : Fuel Cell, PEM (Polymer Electrolyte Membrane), CFD (Computational Fluid Dynamic)
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR SIMBOL x BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1
Latar Belakang
1
1.2
Identifikasi Masalah
1
1.3
Tujuan Penelitian
1
1.4
Batasan Masalah
2
1.5
Manfaat Penelitian
2
1.6
Sistematika Penulisan
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Sel Bahan Bakar ... 4
2.1.1 Pengenalan Sel Bahan Bakar ... 4
2.1.2 Keuntungan dan Kekurangan pada Sel Bahan Bakar ... 4
2.1.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar ... 5
2.1.4 Sejarah Sel Bahan Bakar ... 8
2.2 Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar ... 10
2.3 Komponen Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer ... 12
2.4 Jenis Ruang Alir pada TumpukanSel Bahan Bakar ... 15
2.5 Kecepatan Pada Ruang Alir ... 21
2.6 CFD (Computational Fluid Dynamic) ... 24
2.6.1 Alur Kerja CFD ... 24
2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran ... 25
2.6.3 Bidang Aplikasi CFD ... 31
BAB III METODOLOGI ... 37
3.1 Metodologi Pengujian ... 37
3.2 Bahan Pengujian ... 37
3.3 Peralatan Pengujian ... 39
3.4 Experimental Setup ... 47
3.5 Prosedur Pengujian ... 49
3.6 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Secara Teori ... 50
3.7 Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Menurut Simulasi ... 52
3.8 Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Teori ... 67
3.9 Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Simulasi ... 68
3.10 Jenis Ruang Alir ... 69
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 70
4.1 Hasil dan Pembahasan Simpangan Kecepatan ... 70
4.2 Hasil dan Pembahasan Jenis Aliran ... 70
4.3 Hasil dan Pembahasan Jenis Ruang Alir ... 71
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 72
5.1 Kesimpulan ... 72
5.2 Saran ... 72
DAFTAR PUSTAKA ... 73
LAMPIRAN ... 75
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer ... 14
Tabel 3.1 Parameter Asumsi Kecepatan Aliran ... 51
Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran ... 51
Tabel 3.3 Gambar Pandangan Objek ... 53
Tabel 3.4 Gambar Hasil Simulasi Objek ... 63
Tabel 3.5 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Teori ... 67
Tabel 3.6 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Teori ... 68
Tabel 3.7 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Simulasi ... 69
Tabel 3.8 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Simulasi ... 69
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Portabel ... 6
Gambar 2.2 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Transportasi ... 7
Gambar 2.3 Penggunaan Sel Bahan Bakar pada Sektor Stasioner ... 8
Gambar 2.4 Sejarah Sel Bahan Bakar... 9
Gambar 2.5 Komponen Pada Tumpukan Sel Bahan Bakar ... 13
Gambar 2.6 Ruang Alir Paralel ... 15
Gambar 2.7 Ruang Alir Serpentine ... 16
Gambar 2.8 Ruang Alir Wavy ... 17
Gambar 2.9 Ruang Alir Obligue ... 17
Gambar 2.10 Koil dengan outside inlet dan outlet ... 18
Gambar 2.11 Koil dengan inside inlet dan outlet ... 19
Gambar 2.12 Koil dengan Serpentine ... 19
Gambar 2.13 Koil dengan Serpentine Ganda ... 20
Gambar 2.14 Diagram Alir Alur Kerja CFD ... 25
Gambar 2.15 Elemen Fluida untuk Konservasi Massa ... 26
Gambar 2.16 Elemen Fluida untuk Konservasi Momentum ... 27
Gambar 2.17 Fluks Panas pada Permukaan dari Elemen Fluida ... 29
Gambar 2.18 Perhitungan Aerodinamik dengan Program CFD ... 32
Gambar 2.19 Perhitungan Hidrodinamik dengan Program CFD ... 32
Gambar 2.20 Analisa dengan Program CFD ... 33
Gambar 2.21 Perhitungan Sirip Pompa dengan Program CFD ... 34
Gambar 2.22 Analisa Aliran pada Papan Elektronik ... 34
Gambar 2.23 Temperatur akibat Proses Pengadukan ... 35
Gambar 2.24 Perhitungan Ketahanan Bangunan dengan Program CFD ... 35
Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi ... 36
Gambar 3.1 Air Murni ... 37
Gambar 3.2 Serbuk Asam ... 38
Gambar 3.3 Ionizer ... 38
Gambar 3.4 Tumpukan Sel Bahan Bakar ... 40
Gambar 3.5 Hydrofill ... 41
Gambar 3.6 Hydrostick ... 42
Gambar 3.7 Multitester ... 43
Gambar 3.8 Komputer ... 44
Gambar 3.9 Agilent ... 44
Gambar 3.10 Cooling Pad ... 45
Gambar 3.11 Tampilan Gambit ... 46
Gambar 3.12 Tampilan Fluent ... 47
Gambar 3.13 Experimental Setup Pada Saat Proses Hydrolisis ... 48
Gambar 3.14 Experimental Setup Pada Saat Proses Pengoperasian ... 49
Gambar 3.15 Diagram Alir Percobaan Skripsi ... 50
Gambar 3.16 Penghubungan Titik Koordinat ... 52
Gambar 3.17 Proses Mesh Objek ... 57
Gambar 3.18 Objek yang Telah di-Mesh ... 57
Gambar 3.19 Batasan Objek ... 58
Gambar 3.20 Export Objek ... 58
Gambar 3.21 Penskalaan Objek ... 59
Gambar 3.22 Bentuk Penyelesaian Fluent ... 59
Gambar 3.23 Material Objek ... 60
Gambar 3.24 Kondisi Operasi Objek... 61
Gambar 3.25 Kondisi Batas Objek ... 61
Gambar 3.26 Kontrol Solusi ... 62
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
C Kapasitas Panas J/0 d K c D Kedalaman Saluran m H
Ė Perubahan Energi Dalam J
Diameter Hidrolik m
F Gaya N
F Konstanta Faraday J
fx f
Body Force pada sumbu-x N/kg
y f
Body Force pada sumbu-y N/kg
z
I Arus Tumpukan A/cm
Body Force pada sumbu-z N/kg
k Konduktivitas Termal W/m
2
0
m Massa kg
K
ṁ Laju Aliran Massa kg/s
MH20 M
Molekul Air -
udara
Ncell Jumlah sel -
Molekul Udara -
P Tekanan Pa
Pin
Psat Tekanan Saturasi Pa
Tekanan Masuk Pa
qx Fluks Panas pada sumbu-x W/m
q
2
y Fluks Panas pada sumbu-y W/m
q
2
z Fluks Panas pada sumbu-z W/m
Qstack Laju Aliran Masuk Stack m
2
3
r
/s
o2
R Konstanta Gas Ideal J/mol
Kandungan Oksigen di Udara -
0
S Rasio Stoikiometri Oksigen -
K
T Temperatur 0
u Kecepatan pada sumbu-x m/s
K
v Kecepatan pada sumbu-y m/s
V Kecepatan Masuk Stack m/s
w Kecepatan pada sumbu-y m/s
wc
W Kerja Nm
Lebar Saluran m
Huruf Yunani
Simbol Arti Satuan
𝜌𝜌 Massa Jenis kg/m
ρ
3
CFD Massa Jenis Pada CFD kg/m
μ Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik kg/ms
3
μCFD
CFD kg/ms
Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik pada
σxx Tegangan Normal pada sumbu-x N/m
σ
2
yy Tegangan Normal pada sumbu-y N/m
σ
2
zz Tegangan Normal pada sumbu-z N/m
τ
2
zy Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-y N/m
τ
2
zx Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-x N/m
τ
2
yx Tegangan Geser sumbu-y terhadap sumbu-x N/m
φ Kelembaban Relatif -
2
𝜕𝜕x Diferensial terhadap sumbu-x -
𝜕𝜕y Diferensial terhadap sumbu-y -
𝜕𝜕z Diferensial terhadap sumbu-z -
𝜕𝜕t Diferensial terhadap waktu -
𝜕𝜕T Diferensial terhadap temperatur -
