perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user i 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 SURAKARTA 2012
69
Embed
STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS .../Studi... · perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user i STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
i
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
SURAKARTA
2012
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
MOTTO
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)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
PERSEMBAHAN
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
STUDI EKSPERIMEN DAN SIMULASI CFD KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN DAN ARUS-DAYA PROTON EXCHANGE MEMBRANE
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 cm2. Bahan bakar (H2 dan O2) 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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
EXPERIMENT AND CFD SIMULATION STUDY OF CURRENT-VOLTAGE AND CURRENT-POWER CHARACTERISTIC OF PROTON
EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL
Muhammad Imam Saputra Department of Mechanical Engineering
Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta
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.
a : Panjang sisi persegi panjang mesh (satuan panjang) b : Lebar sisi persegi panjang mesh (satuan panjang) Cp : Specific heat capacity (kJ/kg.K) Di : koeffisien difusi E : Perbedaan potensial listrik (Volt) Eelectric : Energi listrik (Watt) Ehidrogen : Energi kimia hidrogen (Watt) Er : Tegangan reversibel standard (Volt) F : Konstanta Faraday (96487 C/mol) hi : Entalpi masuk sistem (J/kg) hj : Entalpi keluar sistem (J/kg) I : Arus (Ampere) i : Current density (A/m2) io : Refference current density (A/m2) keff : Effective thermal conductivity (W/mK) M : Berat molekul oksigen (kg/kmol) mi : Massa masuk system (kg) mj : Massa keluar system (kg) n : jumlah mol elektron P : Daya (Watt) p : Tekanan (Pa) Q : Muatan listrik (Coulumbs) QEAS : EquiAngle Skew QEVS : EquiSize Skew R : konstanta gas ideal (J/mol.K) S : Luasan/volume elemen mesh Seq : Maksimum luasan/volume elemen mesh Si : Source of species Sm : Source of mass SM : Source of momentum ST : Source of energy T : Temperature (K) t : Waktu (s) U : Kecepatan (m/s) V : Tegangan (Volt) Virrev : Tegangan irreversible (Volt) Vrev : Tegangan reversible (Volt) Welec : Kerja elektrik (Watt) Xi : Fraksi massa spesies i
: Activity of species : Perubahan energy Gibss (J/mol.K) rxn : Perubahan energi Gibss pada reaksi (J/mol.K) : Perbahan entalpi (J/kg)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvii
: Perubahan entropi (J/kg.K) act : Activation Overvoltage (Volt)
: Porositas Medium energy : Efisiensi energi
: Sudut karakteristik dari elemen mesh ( ) : Sudut maksimum dari elemen mesh ( )
: Sudut minimum dari elemen mesh ( )
: Massa jenis (kg/m3)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
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
biologi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
Hidrogen sendiri dapat digunakan langsung pada Internal Combustion
Engine (EG & G Technical service) atau melalui Fuel Cell. Dibandingkan dengan
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 H2 dan O2 dari hasil elektrolisis menggunakan
perangkat elektrolisis H-Tec J101.
3. Geometri untuk simulasi digambar dengan software GAMBIT 2.4.6.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
4. Simulasi menggunakan computational fluid dynamic(CFD) pada kondisi
steady state dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26.
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 Penu lisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir adalah sebagai berikut:
BAB I : Pendahuluan, berisi latar belakang penelitian, tujuan dan manfaat
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
penelitian, perumusan masalah, batasan masalah dan 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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pu staka
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 H2 dan O2.
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
flow pattern dan juga rib/channel dari flow pattern tersebut. Penelitian ini
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
menggunakan mikro fuel cell dengan membran nafion NRE212 dengan luas
permukaan 1,44 cm2. Terdapat tiga variasi sudut belokan dan tiga variasi
rib/channel. Variasi sudut belokan yang digunakan adalah 30-150, 60-120 dan 90-
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 90o-90o. 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 180oC.
Namun kondisi kerja untuk fuel cell yang menggunakan sistem kontrol masih relatif
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
tinggi dibanding dengan PEMFC yaitu berkisar antara 150-160oC. Selain itu SOFC
membutuhkan reformer dan air pre heater untuk aplikasinya. PEMFC hanya
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
yang optimal dari bentuk saluran untuk aliran gas hidrogen. Hasil penelitian ini
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
menunjukkan bahwa bentuk terbaik untuk saluran gas hidrogen adalah dengan
bentuk bukan alur, melainkan ruangan dengan tonjolan-tonjolan yang teratur
didalamnya. Micro channel dengan bentuk tersebut memiliki aliran gas lebih
uniform dan dari hasil analisa numerik menunjukkan peningkatan efisiensi fuel
cell. Tahap terakhir adalah pembuatan channel tersebut dengan metode SU-8
(epoxy type negative photo-resist) yang mana merupakan metode yang mudah
untuk membuat bentuk yang rumit dalam skala mikro (Choi dkk., 2009).
Sayangnya dengan bentuk tersebut ternyata channel dari fuel cell sulit untuk
dibuat. Pembuatan micro channel dengan metode SU-8 memberikan efek negatif
berupa penurunan performa fuel cell karena adesi material elektroda ke channel.
Sehingga perlu dicari material yang lebih baik untuk membuat geometri yang
paling optiamal tersebut.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Fuel Cel l
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)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
Dalam sel bahan bakar, bahan bakar gas dialirkan secara terus-menerus ke
katoda (elektroda positif), sedangkan oksidan (oksigen murni atau udara)
diumpankan secara terus menerus ke Anoda (elektroda negatif). Reaksi
elektrokimia berlangsung di elektroda untuk menghasilkan arus listrik.
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
dengan jenis yang lain adalah elektrolit dan bahan bakar dari fuel cell itu sendiri.
Tabel 2.1 berikut menunjukkan beberapa jenis fuel cell yang sering dijumpai.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
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/m2. 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/m2)
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