Pemodelan Komputasi 3D Sel Tunam Membrane Pertukaran Proton ... (Pujowidodo) ISBN 978-602-99334-4-4 24 PEMODELAN KOMPUTASI 3D SEL TUNAM MEMBRANE PERTUKARAN PROTON (PEMFC) MELALUI TEKNIK BEDA HINGGA Hariyotejo Pujowidodo Balai Termodinamika Motor Propulsi (BTMP) BPP Teknologi Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan Banten 15314 * Email: h_pujowidodo@yahoo.co.id Abstrak PEM Fuel Cell merupakan salah satu jenis peralatan konversi elektrokimia yang terdiri dari lapisan aktif elektrolit, berupa membran, sebagai tempat terjadinya reaksi kimia yang mengubah sumber energi potensial kimia hidrogen menjadi energi potensial listrik. Dalam studi ini akan dikaji kinerja pola kanal serpentine terhadap densitas arus yang dihasilkan melalui simulasi komputasi numerik 3 dimensi metode beda hingga (finite element) tools komersial COMSOL 3.2™ pada sebuah bagian sistem kanal saluran. Model terdiri dari domain kanal elektrode berikut lapisan difusi gas dan sub domain lapisan aktif katalis menggunakan prinsip kesetimbangan massa dan muatan (charge and mass balance). Diharapkan melalui studi pemodelan ini dapat dilakukan kajian karakteristik dinamika fluida melalui perpindahan momentum dan massa yang melalui kanal distribusi, lapisan difusi dan lapisan aktif tempat terjadinya reaksi elektrokimia. Pada kanal serpentine dengan belokan yang tajam, pressure drop terbesar diakibatkan oleh adanya hambatan akibat perubahan geometri (U-Turn) yang tajam (perpendicular 90 o ). Densitas arus yang terjadi bergantung pada distribusi spesies oksidan O 2 dan produk air yang terjadi. Distribusi massa dan komposisi spesies sangat mempengaruhi kinerja yang dihasilkan. Kata kunci: densitas massa, momentum, serpentine , spesies 1. PENDAHULUAN PEM Fuel Cell merupakan salah satu jenis peralatan konversi elektrokimia yang terdiri dari lapisan aktif elektrolit, berupa membran, sebagai tempat terjadinya reaksi kimia yang mengubah sumber energi potensial kimia hidrogen menjadi energi potensial listrik. Energi listrik berasal dari reaksi oksidasi atom hidrogen sehingga terjadi aliran elektron menuju oksidan oksigen melalui beban eksternal (Wikipedia, 2015). Dibandingkan pembangkit daya lainnya yang diperoleh dari hasil konversi energi mekanik, efisiensi konversi energi pada sel tunam tersebut lebih baik. Besarnya energi potensial listrik yang terjadi tergantung dari besarnya energi yang dilepaskan dari hasil elektrokimia (energi bebas Gibbs) yang merupakan fungsi konsentrasi zat yang bereaksi. Struktur sel tunam membran elektrolit pertukaran proton ini terdiri atas lapisan difusi gas, lapisan katalis dan lapisan elektrolit yang tersusun dari struktur karbon yang dipadukan dengan unsur katalis platina. Gas reaktan yang mengalir melalui kanal dengan pola paralel atau serpentine akan berdifusi melalui lapisan difusi bereaksi pada lapisan elektrolit dan katalis dengan gas oksidan. Reaksi kimia dipengaruhi oleh laju kinetika reaksi yang ditentukan oleh konsentrasi jumlah reaktan. Terdapat jenis kanal saluran aliran gas pada sel tunam membran elektrolit pertukaran proton yang bertujuan untuk memberikan distribusi arus listrik optimal bagi proses reaksi kimia yaitu jenis paralel dan serpentine (Arvay, A., 2011). Dalam studi ini akan dikaji kinerja pola kanal serpentine terhadap densitas arus yang dihasilkan melalui simulasi komputasi numerik 3 dimensi (3D) metode beda hingga (finite element) tools komersial COMSOL 3.2® pada sebuah bagian sistem kanal saluran. Model terdiri dari domain kanal elektrode berikut lapisan difusi gas dan sub domain lapisan aktif katalis menggunakan prinsip kesetimbangan massa dan muatan (charge and mass balance). Dalam studi ini akan dianalisa kinerja sebuah sel tunam membrane pertukaran proton melalui beberapa hal yang akan dicapai yaitu untuk memperoleh densitas arus yang terjadi pada bagian sistem kanal saluran serpentine, untuk mengetahui karakteristik dinamika fluida dalam kanal saluran terhadap distribusi arus yang dihasilkan, untuk memperoleh hasil distribusi massa yang terjadi pada lapisan difusi gas sebagai faktor utama konsentrasi dan untuk memperoleh pemahaman karakteristik model numerik metode beda hingga untuk pemodelan 3 D melalui ketetapan kesetimbangan massa dan muatan.