SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER SKRIPSI

Ukuran: px

Mulai penontonan dengan halaman:

Download "SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER SKRIPSI"

Sukarno Cahyadi
6 tahun lalu
Tontonan:

1 SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FRANS NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN 2012

11 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

12 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)

13 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)

14 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR SIMBOL x BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Identifikasi Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Sel Bahan Bakar Pengenalan Sel Bahan Bakar Keuntungan dan Kekurangan pada Sel Bahan Bakar Penggunaan Sel Bahan Bakar Sejarah Sel Bahan Bakar Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar Komponen Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer Jenis Ruang Alir pada Tumpukan Sel Bahan Bakar Kecepatan Pada Ruang Alir CFD (Computational Fluid Dynamic) Alur Kerja CFD Persamaan Pembentuk Aliran Bidang Aplikasi CFD BAB III METODOLOGI Metodologi Pengujian Bahan Pengujian... 37

15 3.3 Peralatan Pengujian Experimental Setup Prosedur Pengujian Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Secara Teori Besar Kecepatan Pada Ruang Alir Menurut Simulasi Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Teori Jenis Aliran Pada Ruang Alir Secara Simulasi Jenis Ruang Alir BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dan Pembahasan Simpangan Kecepatan Hasil dan Pembahasan Jenis Aliran Hasil dan Pembahasan Jenis Ruang Alir BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 75

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komponen Dasar dari Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer Tabel 3.1 Parameter Asumsi Kecepatan Aliran Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Kecepatan Aliran Tabel 3.3 Gambar Pandangan Objek Tabel 3.4 Gambar Hasil Simulasi Objek Tabel 3.5 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Teori Tabel 3.6 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Teori Tabel 3.7 Parameter Asumsi Jenis Aliran Secara Simulasi Tabel 3.8 Parameter Pengukuran Jenis Aliran Secara Simulasi... 69

17 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 Gambar 2.6 Ruang Alir Paralel Gambar 2.7 Ruang Alir Serpentine Gambar 2.8 Ruang Alir Wavy Gambar 2.9 Ruang Alir Obligue Gambar 2.10 Koil dengan outside inlet dan outlet Gambar 2.11 Koil dengan inside inlet dan outlet Gambar 2.12 Koil dengan Serpentine Gambar 2.13 Koil dengan Serpentine Ganda Gambar 2.14 Diagram Alir Alur Kerja CFD Gambar 2.15 Elemen Fluida untuk Konservasi Massa Gambar 2.16 Elemen Fluida untuk Konservasi Momentum Gambar 2.17 Fluks Panas pada Permukaan dari Elemen Fluida Gambar 2.18 Perhitungan Aerodinamik dengan Program CFD Gambar 2.19 Perhitungan Hidrodinamik dengan Program CFD Gambar 2.20 Analisa dengan Program CFD Gambar 2.21 Perhitungan Sirip Pompa dengan Program CFD Gambar 2.22 Analisa Aliran pada Papan Elektronik Gambar 2.23 Temperatur akibat Proses Pengadukan Gambar 2.24 Perhitungan Ketahanan Bangunan dengan Program CFD Gambar 2.25 Analisa Inkubator Bayi Gambar 3.1 Air Murni Gambar 3.2 Serbuk Asam Gambar 3.3 Ionizer Gambar 3.4 Tumpukan Sel Bahan Bakar Gambar 3.5 Hydrofill Gambar 3.6 Hydrostick Gambar 3.7 Multitester Gambar 3.8 Komputer Gambar 3.9 Agilent... 44

18 Gambar 3.10 Cooling Pad Gambar 3.11 Tampilan Gambit Gambar 3.12 Tampilan Fluent Gambar 3.13 Experimental Setup Pada Saat Proses Hydrolisis Gambar 3.14 Experimental Setup Pada Saat Proses Pengoperasian Gambar 3.15 Diagram Alir Percobaan Skripsi Gambar 3.16 Penghubungan Titik Koordinat Gambar 3.17 Proses Mesh Objek Gambar 3.18 Objek yang Telah di-mesh Gambar 3.19 Batasan Objek Gambar 3.20 Export Objek Gambar 3.21 Penskalaan Objek Gambar 3.22 Bentuk Penyelesaian Fluent Gambar 3.23 Material Objek Gambar 3.24 Kondisi Operasi Objek Gambar 3.25 Kondisi Batas Objek Gambar 3.26 Kontrol Solusi... 62

19 DAFTAR SIMBOL f x f f Simbol Arti Satuan C Kapasitas Panas J/ 0 K d c D H Kedalaman Saluran m Diameter Hidrolik m Ė Perubahan Energi Dalam J F Gaya N F Konstanta Faraday J y z Body Force pada sumbu-x N/kg Body Force pada sumbu-y N/kg Body Force pada sumbu-z N/kg I Arus Tumpukan A/cm k Konduktivitas Termal W/m K m Massa kg ṁ Laju Aliran Massa kg/s M H20 Molekul Air - M Molekul Udara - udara Ncell Jumlah sel - P Tekanan Pa P in Tekanan Masuk Pa Psat Tekanan Saturasi Pa q x Fluks Panas pada sumbu-x W/m qy Fluks Panas pada sumbu-y W/m qz Fluks Panas pada sumbu-z W/m Qstack Laju Aliran Masuk Stack m /s r o2 Kandungan Oksigen di Udara - R Konstanta Gas Ideal J/mol K S Rasio Stoikiometri Oksigen - T Temperatur u Kecepatan pada sumbu-x m/s v Kecepatan pada sumbu-y m/s V Kecepatan Masuk Stack m/s w Kecepatan pada sumbu-y m/s w c Lebar Saluran m W Kerja Nm K

20 Simbol Arti Huruf Yunani Satuan ρρ Massa Jenis kg/m ρcfd Massa Jenis Pada CFD kg/m μ Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik kg/ms μ CFD Viskositas Molekular/Viskositas Dinamik pada CFD kg/ms 3 3 σ xx Tegangan Normal pada sumbu-x N/m σyy Tegangan Normal pada sumbu-y N/m σzz Tegangan Normal pada sumbu-z N/m τzy Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-y N/m τzx Tegangan Geser sumbu-z terhadap sumbu-x N/m τyx Tegangan Geser sumbu-y terhadap sumbu-x N/m φ Kelembaban Relatif - x Diferensial terhadap sumbu-x - y Diferensial terhadap sumbu-y - z Diferensial terhadap sumbu-z - t Diferensial terhadap waktu - T Diferensial terhadap temperatur

dokumen-dokumen yang mirip

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TUMPUKAN SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN ELEKTROLIT POLIMER Frans 1, Himsar Ambarita 2 1) Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater