Simulasi Karakteristik Single Cell PEMFC Menggunakan Metode Numeris Computational Fluid Dynamics (CFD)

Jovan Ramadhan Rasendriya, Dr. Ir. Jayan Sentanuhady, S.T., M.Eng., IPU., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Pemanfaatan energi bersih menjadi kebutuhan penting dalam menghadapi tantangan energi di masa depan, khususnya di Indonesia yang memiliki potensi energi terbarukan untuk memproduksi green hydrogen. Fuel cell merupakan salah satu upaya pemanfaatan hidrogen dalam bidang pembangkitan energi. Namun, pendekatan eksperimental dalam pengembangan Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) masih terbatas karena tingginya biaya dan keterbatasan perangkat di Indonesia. Oleh karena itu, penelitian ini menggunakan pendekatan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) menggunakan software ANSYS Fluent pada single cell PEMFC dengan luas active area 72 cm².

Digunakan add – on PEMFC dengan berbagai fungsi elekrokimia serta parameter yang telah ditentukan. Studi ini bertujuan untuk mengkaji fenomena distribusi fraksi massa reaktan, kelembaban relatif, dan current flux density magnitude, serta pengaruh variasi load terhadap kelembaban sisi anoda dengan menggunakan kontur. Simulasi juga menghasilkan output berupa kurva polarisasi yang menunjukkan hubungan antara tegangan dan kepadatan arus, serta performa sel pada berbagai tegangan uji operasi yang kemudian divalidasi menggunakan eksperimen dan perhitungan analitis.

Hasil menunjukkan bahwa performa dan efisiensi antara pendekatan analitis dan simulasi tidak berbeda signifikan pada kurva polarisasinya, dengan efisiensi maksimum 51,66 % (analitis) dan 53,12% (simulasi netto). Kontur kelembaban menunjukkan peningkatan signifikan pada sisi katoda dan anoda akibat pembentukan air dan fenomena back diffusion sepanjang aliran. Selain itu, peningkatan beban menyebabkan penurunan kelembaban anoda akibat adanya electro-osmotic drag dan residence time hidrogen yang lebih singkat. Simulasi CFD menunjukkan hasil yang konsisten dengan data eksperimen, sehingga dapat menjadi metode efektif untuk memahami karakter PEMFC.

Clean energy utilization is one of the energy challenges in Indonesia that holds significant renewable energy potential for green hydrogen production. Fuel cell technology is a technology in the energy generation sector, utilizing hydrogen as the fuel. However, experimental research of Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) remains limited in Indonesia due to costs and equipment constraints. Therefore, this study adopts a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach using ANSYS Fluent to simulate a single-cell PEMFC with an active area of 72 cm².

The simulation utilizes the PEMFC add-on module, incorporating various electrochemical functions and predefined parameters. The study aims to analyse the distribution of reactant mass fraction, relative humidity, and current flux density magnitude, and anode-side humidity under different loads using contour plots. The simulation produces a polarization curve showing the relationship between voltage and current density, reflecting the cell’s performance under different operating loads. These results are subsequently validated through experimental data and analytical calculations.

Results indicate no significant difference in performance and efficiency between analytical and simulation approaches in terms of polarization curve, with a maximum efficiency of 51,66% (analytical) and 53,12% (net simulation). Humidity contours show a noticeable increase on both the cathode and anode sides due to water formation and back diffusion along the flow path. Additionally, higher loads lead to reduced anode humidity due to increased electro-osmotic drag and shorter hydrogen residence time. The CFD simulation results are consistent with experimental data. suggesting CFD as an effective method for characterizing PEMFC performance.

Kata Kunci : fuel cell, PEMFC, hidrogen, simulasi, CFD