MOLECULAR MODELING UNTUK DISTRIBUSI GAS DALAM FUEL CELL PEMFC

Proposal Tesis

untuk memenuhi sebagian persyaratanmencapai derajat Sarjana S-2

Progam Studi Teknik KimiaBidang ilmuTeknik Proses

diajukan olehLUKMAN NUL HAKIM12/342450/PTK/08585

KepadaPROGRAM PASCASARJANAUNIVERSITAS GADJAH MADAY OGYAKARTA2013

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fuel cell merupakan energi masa depan yang begitu menjanjikan,karena menggunakan air sebagai bahan bakunya, ketersediaan bahan baku yang melimpah dan terbarukan ini tidak menjadi masalah. fuel cell, sebagai sebuah sistem pembangkit listrik, menghasilkan energi dari reaksi kimia dari pencampuran gas hidrogen yang berasal dari air dengan oksigen dari udara. Di dunia penerapan fuel cell tidak hanya terbatas pada kendaraan bermotor dan pembangkit listrik di rumah tangga, tapi meluas ke peralatan elektronika seperti telepon seluler..Penerapan fuel cell juga akan membantu mengurangi konsumsi bahan bakar minyak dan dari segi lingkungan hidup pemanfaatan fuel cell di sektor transportasi akan mengurangi tingkat pencemaran udara di kota besar karena emisi buang sel bakar ini berupa uap air. Secara garis besar arah penerapan sel bahan bakar dibedakan menjadi dua, yakni penerapan untuk stationary power generation dan penerapan untuk transportasi Dalam menentukan arah aplikasi sel bahan bakar ini harus mempertimbangkan beberapa aspek di antaranya adalah aspek teknik dan ekonominya. Aspek teknis dimaksud adalah menyangkut penguasaan teknologi dan infrastrukturnya. Dua jenis sel bahan bakar yang saat ini dominan dikembangkan adalah jenis PEM dan jenis solide oxide (SOFC). Jenis yang pertama tersebut mengarah kepada aplikasi untuk pembangkit listrik skala kecil seperti untuk catudaya listrik di perumahan (sel bahan bakar home system) dan untuk pembangkit listrik tersebar seperti catudaya listrik pada TV repeater, base transceiver station (BTS) telekomunikasi. Selain itu PEM FC juga banyak diaplikasikan untuk catudaya pada kendaraan bermotor (transportasi) karena beroperasi pada temperatur rendah (60-80 oc) sehingga lebih cepat untuk start-up. Sel bahan bakar jenis SOFC karena beroperasi pada temperatur tinggi (850-1000 oc) sangat cocok untuk diaplikasikan sebagai pembangkit listrik skala besar karena SOFC mampu diterapkan untuk sistem kogenerasi yang mempunyai efisiensi cukup tinggi. Jumlah BTS di Indonesia saat ini sekitar 54.000 unit, jika 5% nya terdapat di daerah terpencil yang tidak terdapat jaringan PLN, maka terdapat potensi untuk mengaplikasikan sel bahan bakar pada sistem ini. Penelitian-penelitian di Indonesia baru mulai dilakukan setelah tahun 1999 dibawahNaungan-naungan instansi penelitian dan perguruan tinggi seperti:BPPT yang terfokus pada pembuatan sel stack PEMFC dan aplikasinya, LIPI: Sintesa material membran, katalis, elektroda dan sistem fuel cell BATAN : Sistem penyimpan hidrogen, Balitbang-ESDM : Pengembangan sistem fuel cell (PEMFC), UI : Pengembangan katalis DMFC/PEMFC dan sistem kontrol , ITB: Pengembangan membran dan elektroda, namun untuk simulasi kesetimbangan panas dan massa masih sangat terbatas, padahal hal ini sangat diperlukan dalam kegiatan pengembangan fuel cell di Indonesia. Untuk menjawab persoalan diatas maka perludilakukan penelitian tentang fhenomena transfer dalam fuel cell, baik secara experimen maupun simulasi. Untuk simulasi fhenomena transfer ada dua metode umum yang digunakan yaitu secara microscopic ataupun secara molecular. Penelitian ini mencoba untuk mensimulasikan distribusi gas puntuk fenomena transfer dalam Fuel Cell yakni distribui gas dalam fuel cell dengan pendekatan molecular yang belum pernah dilakukan sebelumnya.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan keseluruhan dari tesis ini adalah untuk mengembangkan dan menganalisis model transfer massa pada fuel cell jenis PEMFC yakni distribusi hydrogen (H2),oksigen(O2) dan air (H2O)dalam fuel cell dengan pendekatan molecular sehingga konsep model yang dihasilkan dapat diterpkan unutuk jenis fhenomena transfer yang lain serta jenis model fuel cell yang lain seperti Fuel Cell jenis SOFC. Tujuan diatas dapat diformulasikan sebagai berikut:

1.mengetahui distribusi hydrogen(H2) pada berbagai posisi didalam fuel cell2.mengetahui distribusi oksigen (O2)pada berbagai posisi didalam fuel cell3.mengetahui distribusi air(H2O) pada berbagi posisi didalam fuel cell4.megetahui dampak dari temperature tehadap distribusi oksigen(O2), hydrogen(H2) dan air (H2O)

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Fuel Cell Components Fuel cell merupakan energi masa depan yang begitu menjanjikan dilihat dari banyak aspek. Karena menggunakan air sebagai bahan bakunya, ketersediaan bahan baku yang melimpah dan terbarukan ini tidak menjadi masalah. fuel cell, sebagai sebuah sistem pembangkit listrik, menghasilkan energi dari reaksi kimia dari pencampuran gas hidrogen yang berasal dari air dengan oksigen dari udara. Adapun komponen komponen dasar fuel cell dapat dilihat dalam gambar dibawah ini

Gambar:

Tabel Komponen dasar Fuel cellComponentDeskripsiType Umum

Proton Exchange MembraneMemungkinkan proton hidrogen Untuk berjalan dari anoda ke katodaNafion Membrane 112,115,117

Catalyst LayersPaket bahan bakar menjadi protondan elektron. protonmenggabungkan dengan oksidan untukbentuk air pada sel bahan bakarkatodaPlatinu/Carbom Catalyst

Gas Diffusion layersMemungkinkan bahan bakar / oksidan untuk bepergianmelalui lapisan berpori,sekaligus mengumpulkan elektron.Carbon cloth or Toray paper.

Flow Field PlatesMendistribusikan bahan bakar dan oksidan ke lapisan difusi gas.Graphite, stainless steel

GasketMencegah kebocoran bahan bakar, dan untuk mendistribusikan tekanan secara merata.Silicon,Teflon

End PlatesMenyimpan susunan lapisan pada tempatnya.Stainless steel, Grafhite, Polyetilene,PVC

2.2 Distribusi Populasisecara sederhana, distribusi populasi berarti korelasi antara suatu kejadian atau kondisi dan itu adalah probabilitas kejadian terjadi. contoh sederhana untuk distribusi populasi adalah bahwa kemungkinan mendapatkan bayi laki-laki yang baru lahir adalah 0,5. jika kejadian atau kondisi xi, dan propability terjadi adalah pi maka distribusi populatuon adalah korelasi xi dan Pi atau secara matematis:

dalam dunuia nyata, ada dua jenis variabel, yaitu diskrit dan kontinyu, sehingga ada juga dua jenis distribusi populasi, yang diterapkan untuk variabel diskrit dan kontinyu.

2.3 Populasi Distribusi Untuk Dicrete Random Variablevariabel acak diskrit jika nilai hanya dapat berada di angka atau kondisi diskrit, misalnya nomor diperoleh dari lemparan dadu yang adil, atau diameter pipa komersial.jika variale acak diskrit memiliki nilai kemungkinan dari x1, x2, x3, x4, dan probabilitas mereka terjadi adalah P1, P2, P3, P4, maka distribusi populasi dapat ditulis sebagai (Rubinstein, 1981):

Atau (Sobol,1975)

Sebagai sebuah contoh, populasi distribusi untuk sebuah pelemparan dadu dalam persamaan berikut:

Contoh lain adalah ditribusi poison:

Diamana x =0,1,2,..,>0.Harus diingat bahwa:

Proses untuk membuat disebut normalisasi. Jika nilai untuk , kemudian normalisasi dapat mudah dikerjakaan dengan membagi Pi oleh b.

2.4 Distribusi Populasi untuk Continous Random Variabel. Nilai untuk variabel acak bisa banyak jumlah dalam interval untuk operasi. Dapat jadi sebuah variable continuous random dalam ranges x=a dan x=b, dan N(x) adalah kumulatif probabilitas untuk yang terletak diantara x=a dan x=x. sebuah cintoh hubungan diantara N(x) dan x ditunjukan dalam gambar dibawah:

Populasi distribusi untuk kemudian didefinisikan:

Itu harus diingat bahwa: Kemudian

2.4.1. Random Distribution

2.4.2 Normal Random Distribution

Parameter untuk distribusi ini dan a, juga diketahui sebagai Gaussian distribution.

2.4.3 Distribusi Maxwell-BoltzmannDistribusi Maxwell-Boltzmann menggambarkan kecepatan partikel dalam gas, di mana partikel tidak terus-menerus berinteraksi satu sama lain, tetapi bergerak bebas antara tabrakan pendek. Ini menggambarkan kemungkinan kecepatan partikel (besarnya vektor kecepatannya) yang dekat dengan nilai yang diberikan sebagai fungsi dari suhu dari sistem, massa partikel, dan bahwa nilai kecepatan. Distribusi probabilitas ini dikemukakan pertama kali olehJames Clerk Maxwell dan Ludwig Boltzmann.Distribusi Maxwell-Boltzmann biasanya dianggap sebagai distribusi kecepatan molekul, tetapi juga dapat merujuk kepada distribusi untuk kecepatan, momentum, dan besarnya momentum molekul, yang masing-masing akan memiliki fungsi probabilitas distribusi yang berbeda, semua dari yang terkait. Kecuali dinyatakan lain, artikel ini akan menggunakan "distribusi Maxwell-Boltzmann" untuk merujuk pada distribusi kecepatan. Distribusi ini dapat dianggap sebagai besaran vektor 3-dimensi yang komponennya adalah independen dan terdistribusi normal dengan mean 0 dan standar deviasi a.

2.5 Metode Simulasi Monte carloMetode Simulasi Monte Carlo adalah suatu metode untuk mengevaluasi suatu model deterministik yang melibatkan bilangan acak sebagai salah satu input. Metode ini sering digunakan jika model yang digunakan cukup kompleks, non linear atau melibatkan lebih dari sepasang parameter tidak pasti. Sebuah simulasi Monte Carlo dapat melibatkan 10.000 evaluasi atas sebuah model, suatu pekerjaan di masa lalu hanya bisa dikerjakan oleh sebuah software komputer.Suatu model memerlukan parameter input dan beberapa persamaan yang digunakan untuk menghasilkan output (atau variabel respon). Dengan menggunakan parameter input berupa bilangan random, maka dapat mengubah suatu model deterministik menjadi model stokastik, dimana model deterministik merupakan suatu model pendekatan yang diketahui dengan pastisedangkan model stokastik tidak pasti.Simulasi Monte Carlo adalah metode untuk menganalisa perambatan ketidakpastian, dimana tujuannya adalah untuk menentukan bagaimana variasi random atau error mempengaruhi sensitivitas, performa atau reliabilitas dari sistem yang sedang dimodelkan. Simulasi Monte Carlo digolongkan sebagai metode sampling karena input dibangkitkan secara random dari suatu distribusi probabilitas untuk proses sampling dari suatu populasi nyata. Oleh karena itu, suatu model harus memilih suatu distribusi input yang paling mendekati data yang dimiliki (Rubinstein, 1981).

2.2 Landasan Teori

Berdasarkan ilustrasi proses pada gambar diatas, proses phenomena perpindahan yang terjadi adalah proses diffusi gas kedalam sebuah slab baik proses yang terjadi di anoda maupun katoda dengan kata lain permodelan matematis akan analog antara anoda dengan katoda . Untuk memudahkan dalam membuat permodalan matematis diatas, gas pada proses tersebut maka kita imajinasikan bahwa molekul air,dan hydrogen bergerak dalam arah acak dengan panjang lintasan Spath. Setelah bergerak lurus sepanjang jarak Spath, molekul air, hydrogen berbenturan dengan molekul padatan, ataupun berbenturan dangan masing masing molekul gas, dan kemudian bergerak dalam garis lurus ke arah yang lainnya dengan kecepatan yang sama dan jarak Spath yang sama.perpindahan untuk molekul dalam arah x dapat dihitung degan persamaan (Sediawan, 2013):

Dimana adalah sudut acak diantara Spath dengan x( pada kasus ini bernilai 1/2) dan v adalah kecepatan untuk molekul. Maka waktu rata-rata dua molekul saling berbernturan adalah

Dimana De adalah difusifiatas molekul, k adalah konstanta Boltzmanns, m adalah massa molekul, T adalah temperatur .Dengan mensimulasikan gerakan setiap molekul air dan hidrogen , posisi setiap molekul air dan hydrogen pada berbagai waktu dapat dihitung. Jika pada waktu tertentu posisi molekul air adalah x> L, molekul telah meninggalkan slab. Sementara itu jika di waktu tertentu posisi molekul adalah at x =-a, dengan fakta bahwa simetris, posisi molekul ditugaskan untuk berada di x = a.slab tersebut kemudian dibagi menjadi beberapa interval x dan panjang masing-masing interval adalah x. jumlah gas pada setiap interval dapat dihitung dari simulasi. jika x adalah cukup kecil, konsentrasi air dalam setiap interval, c, dapat didekati dengan

Dimana N adalah jumlah molekul air atau hydrogen dalam interval, Npart adalah adalah jumlan awal molekul air atau hydrogen dalam slab, Ngrid adalah jumlah untuk interval dan C0 adalah koncetrasi umpan air atau hydrogen.

Pada proses transfer massa pada Anode katalis dan catode katalis, pada waktu tertentu setiap situs aktif akan mengadsorbsi 1 spesies a dan waktu yang di perlukan oleh setiap spesies untuk berdifusi dan bereaksi dalam katalis. distribusi hydrogen atau air pada katalis ini mengikuti persamaan matematika seperti pada anoda dan dlianjutkan dengan reaksi pembentukan ion H+

Macroscopic interpretasi untukorde pertama jika CA adalah mol hydrogen, kemudian kCA mol untuk hydrogen bereaksi setiap waktu , atau jika ada N mol hydrogen, kemudian bereaksi setiap waktu. Dalam interpretasi microscopic, jika ada N molekul untuk A, k N molekul hydrogen bereaksi setiap waktu. It berarti bahwa jika ada N0 molekul hydrogen, rata-rata waktu diantara kedua raksi adalah:

Itu dapat di simpulkan bahwa jika ada N1 molekul untuk A(N1