## SIMULASI KOMPUTASIONAL BEDA HINGGA 2D ANALISA TRANSPORT MASSA EFEK PARAMETER DESAIN DAN OPERASI TERHADAP KINERJA PEM FUEL CELL

## Hariyotejo Pujowidodo
Balai Teknologi Termodinamika Motor Propulsi  (BT2MP)  BPP  Teknologi Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan Banten 15314 Email: hariyotejo.pujowidodo@bppt.go.id

## ABSTRAK
Studi ini merupakan hasil kegiatan dalam analisa pengembangan sebuah alternative sumber energy terbarukan teknologi hydrogen yang dinamakan sel tunam membrane pertukaran proton (PEM Fuel Cell) , melalui  analisa  pemodelan  transport  massa  pada  domain  komputasi  2  dimensi  dari  kanal  gas,  pelat bipolar,  lapisan  difusi  dan  membrane  pada  kedua  electrode.  Beberapa  hasil  akan  disampaikan  melalui parameter post  processing ;  kontur,  vektor  yang  ada  di  dalam  tools,  berupa  distribusi  spesies  reaktan (hydrogen,  oksigen  dan  humidity  H 2 O)  ataupun  produk  (H 2 O)  di  masing-masing  electrode  (anode  dan katode).  Selanjutnya  data  hasil  tersebut  dikaji  berdasarkan  teori  analisa  tentang  kinetika  reaksi  yang terjadi, guna diperoleh factor utama yang mempengaruhi kinerja densitas arus yang dihasilkan. Dari hasil simulasi  pada  parameter  optimum  operasi  dan  desain  yaitu  sebesar  tekanan  statis  15  psi.g,  temperature saturasi air 70 o C, tegangan listrik 0,6 volt, porositas lapisan difusi 0,4, porositas lapisan katalis 0,6 dan kedalaman rib 1 mm, diperoleh nilai optimasi densitas arus katalis anode sebesar 10750 A/m 2 .
Kata kunci: densitas arus, parameter desain dan operasi, domain, PEMFC, spesies.

## ABSTRACT
This  study  presents  the  activity  of  2  Dimensional  Mass  Transport  PEM  Fuel  Cell  Modelling,  by means of computation domain in gas channel, bipolar plate, difusion layer and electrolyte membrane of the  both  electrodes.  The  parameter  results  would  be  given    in  post  processing,  such  as  contour,  vector tools,  like  reactant  species  distribution  (hydrogen, oxygen and humidity)  as  well  vapor product  in  each electrodes  (anode  and  cathode).  Based  on  analysis  of  reaction  kinetics,  would  be  investigated  the prominent  factor  affecting  current  density  performance.  From  the  simulation,  it  has  been  obtained  that the optimum design and operation are in the prossure condition of 15 psig, water saturation temperature of 70 o C, potential of  0.6 volts, difusion layer porosity of 0.4, catalyst layer porosity of 0.6 and the rib of 1 mm. This optimum condition could  give the current density 1075 A/m 2 .
Keywords: current density, design and operation parameters,  domain,  PEMFC, species.

## 1. PENDAHULUAN
Berkurangnya jumlah cadangan energi fosil dan dampak emisi rumah kaca gas CO 2 pada perubahan iklim global telah mendorong dikembangkannya teknologi energi alternatif terbarukan ramah lingkungan, di  antaranya  yang  dinamakan  Sel  Tunam  Membrane  Pertukaran  Proton (Proton  Exchange  Membrane Fuel  Cell,  PEM  Fuel  Cell). PEM  Fuel  Cell merupakan  perangkat  konversi  energi  listrik  melalui  reaksi elektrokimia bahan bakar hidrogen (H 2 ) dan oksigen (O 2 ), yang terjadi pada lapisan membrane elektrolit konduktif  pertukaran  proton.  Lapisan  membrane  elektrolit  adalah  media  polimer  porus  sangat  tipis, perantara reaktan yang mengalir pada elektroda,  yang terdiri dari lapisan difusi gas dari serat karbon dan elektrolit dengan  struktur  katalis  konduktif ion untuk  menghasilkan perpindahan  massa  proses konveksi gas dan muatan listrik.
Reaksi  elektrokimia  berupa  perpindahan  massa  dan  muatan  di  lapisan  katalis,  bergantung  kepada faktor  laju  kinetika  reaksi  yaitu  kecepatan  reaktan  yang  melalui  struktur  membrane  elektrolit terhumidifikasi, material konduktif membrane dan elektrode, medan aliran pada kanal laluan di elektrode. Transport  massa  dan  muatan  menentukan  besarnya  densitas  arus  listrik  yang  dihasilkan,  merupakan perpindahan momentum dan difusi massa dalam proses reduksi oksidasi reaktan H 2 dan O 2 . Hasil proses tersebut  menghasilkan  produk  air,  yang  selanjutnya  juga  akan  mempengaruhi  kemampuan  hantaran
molekul air di membrane untuk membawa ion proton (electro osmotic drag) selain yang terlarut di dalam gas reaktan (humiditas). Proses reaksi tersebut sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 1.
Beberapa  studi  melalui  analisis  komputasional  dan  numerikal  banyak  dilakukan  guna  mengkaji parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja dari PEM Fuel Cell dan upaya dalam mengembangkan hasil  yang  lebih  optimal.  Di  antara  analisa  pemodelan  adalah  pemodelan  komputasi  tentang  pengaruh geometri, parameter operasi seperti tekanan, temperatur, porositas difusi, tegangan dan  humiditas [1-7]. Pola  aliran  kanal  melalui  aliran  sejajar(paralel)  dan  aliran  berkelok  (serpentine)  memberikan  perbedaan densitas arus, di mana pola serpentine akan menghasilkan densitas arus yang lebih baik pada beberarapa parameter  operasi  tekanan,  temperatur,  dan  humiditas  [1].  Tekanan  merupakan  parameter  utama  yang sangat menentukan kinerja densitas arus terhadap proses difusi konveksi reaktan [2]. Porositas difusi dan potensial  sangat  mempengaruhi  laju  kinetika  reaksi  untuk  menghasilkan  densitas  arus  [4-6].  Humiditas dalam proses elektrokimia memiliki pengaruh penting dalam menghasilkan kinerja densitas arus terutama pada sisi anode [7]. Kinerja densitas arus  yang dihasilkan  oleh PEM Fuel  Cell juga telah dikaji  melalui analisa  pemodelan  beda  hingga  2  dimensi  (2D)  dan  3  dimensi  (3D),  dengan  menerapkan  persamaan konservasi  massa  (kontinuitas),  momentum  Navier-Stokes,  hukum  Darcy  medium  porus,  persamaan difusi konveksi Maxwell-Stefan dan kesetimbangan muatan arus persamaan Butler Volmer [8-11].

## Gambar 1. Mekanisme Transport Massa dan Muatan pada PEM Fuel Cell
Dalam  studi  ini  akan  dilakukan  analisa  transport  massa  efek  parameter  desain  dan  operasi  berupa tekanan, temperatur, porositas, kedalaman bidang pelat  kolektor arus pada lapisan difusi gas (rib depth) serta potensial listrik, melalui pemodelan perangkat komputasional 2 D. Langkah analisa dilakukan mulai dari  tahap  pendefinisian  kondisi  batas  model,  persamaan  konservasi  massa,  momentum,  spesies  dan muatan  listrik,  tahap  pembentukan  elemen  hingga,  perhitungan  kondisi  awal  hingga  konvergensi  hasil, dan diakhiri dengan tahap post processing berupa penampilan hasil distribusi kinerja densitas arus. Dari hasil  pemodelan  diperoleh  bahwa  tekanan,  temperatur,  porositas,  kedalaman  dan  potensial  memiliki pengaruh utama dalam memberikan difusi konveksi perpindahan massa dalam reaksi elektrokimia untuk menghasilkan kinerja densitas arus.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Untuk memudahkan dalam melakukan pemodelan ini, maka disusun sistematika rangkaian kegiatan yang terbagi atas tahap penetapan hipotesa/batasan , tahap kedua yaitu pemodelan (modelisasi) dan tahap ketiga  berupa  tahap  pelaksanaan  (implementasi).  Selengkapnya  masing-masing  tahapan  tersebut  akan diuraikan berikut ini.
LAPISAN KATALIS MEMBRANE LAPISAN DIFUSI GAS KATODE LAPISAN KATALIS LAPISAN DIFUSI GAS ANODE OKSIGEN/UDARA IN OKSIGEN/UDARA, AIR, PANAS OUT HIDROGEN IN HIDROGEN OUT PELAT KATODE (+) PELAT ANODE (-) + + + + - - BEBAN ARUS EKTERNAL

## 2.1 Hipotesa/Batasan (Constraints)
Dalam  melakukan  pemodelan  komputasi  2  D  dengan  metode/teknik  beda  hingga,  terlebih  dahulu ditetapkan  beberapa  batasan  pemodelan  dan  beberapa  idealisasi  yang  diambil  untuk  menyederhanakan dalam simulasi. Sebagai batasan dalam pemodelan adalah sebuah area transversal dari system sel tunam yang terdiri atas penampang area GDL, membrane (termasuk katalis) dari anode dan katode, sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2. Penampang Area Batasan Model [6]
Batasan/hipotesa lainnya adalah sebagai berikut :
a) Aliran merupakan gas ideal isothermal pada kondisi steady state.
b) Material homogen isotropic (propertis dan struktur molekuler).
c) Membrane terhumidifikasi dalam kondisi saturasi/jenuh air.
d) Pada lapisan katalis terdapat kesetimbangan fluks konvektif dan difusi massa
e) Tegangan normal pada pelat bipolar adalah seragam pada area bawah pelat (rib)

## 2.2 Modelisasi (Modelling)
Tahap  modelisasi  diawali  dari  pendefinisian  batas/lingkup  system  model (domain) yaitu  batasan area  pemodelan  secara  2  dimensI,  terbagi  atas  area  lapisan  difusi  gas  anode  Ωa  dan  katode  Ωc,  area membrane  Ωm  yang dibatasi  langsung oleh  sisi lapisan  katalis anode  δΩa dan katode  δΩc, dari area 2 kanal  berdampingan  yang  dibatasi  oleh  pelat  bipolar (current  collector) δΩa,cc,  δΩc,cc,  serta  saluran masuk reaktan anoda δΩa,inlet dan katoda δΩc,inlet. Secara rinci domain komputasi digambarkan seperti dijelaskan pada gambar 2 di atas dan gambar 3 di bawah ini
Gambar 3. Model geometri sub domain dan sisi batas [6]
Anode GDL Anode Current Colector Cathode Current Colector Anode IN Cathode OUT Cathode GDL Membrane Anode OUT Cathode IN
Batasan variable simulasi (boundary conditions) yang merupakan parameter dari suatu proses reaksi yang  ditentukan  dalam  kajian  transport  massa  ini    yaitu  parameter  tekanan  (5  psi.g;  10  psi.g;  15  psi.g), potensial listrik (0,6 volt; 0,7 volt; 0,8 volt) , temperature (70 o C; 80 o C; 90 o C), fraksi massa spesies (10
%  H 2 ;  80%  O 2 )  ,  porositas  difusi  (0,2;  0,4;  0,6).  Untuk  properties  ,material  seperti  konduktivitas, porositas, viskositas, permeabilitas digunakan dari data yang tersedia di dalam perangkat.
Beberapa  persamaan  atur (governing  equations) yang  digunakan  untuk  menyelesaikan  komputasi numerik sesuai kondisi batas terdiri dari persamaan (1) hingga (11) berikut ini [3,6,8,9,10].
Kontinuitas adalah persamaan konservasi untuk massa aliran yang melalui sebuah sistem volume atur dalam hal ini yang melewati domain kanal gas, lapisan difusi dan lapisan katalis.
atau u = S m (1)
di  mana ρ, adalah densitas  fluida, porositas difusi dan u,v, w merupakan  komponen  kecepatan arah  x, y,z. S m menunjukkan suku sumber dari massa yang timbul akibat reaksi elektrokimia (konsumsi H 2 serta O 2 dan produksi air di katoda).   adalah operator gradien fungsi derivatif 3 komponen.
Momentum yaitu persamaan kesetimbangan adanya kecepatan yang dibawa oleh massa aliran fluida melalui suatu sistem volume atur domain kanal gas, lapisan difusi dan lapisan katalis.
(2)
(3)
(4)
atau jika dituliskan dengan fungsi operator vector, untuk 3 komponen x,y,z, menjadi
(ρμ u ) + S p (5)
untuk      adalah  viskositas  dinamik, P tekanan  fluida  dan S px ,  S py ,  S pz adalah  sumber  yang  diakibatkan  adanya perubahan tekanan yang terjadi pada medium porus. (Hukum Darcy).
S px , =    ; S py ,= ;    S pz = (6)
di mana β x , β x , β z adalah permeabilitas hidrolis elektroda, yang besarnya sama ke 3 arah (isotropic).
Spesies  dan  Energi  yaitu  persamaan  konservasi  untuk  molekul  kimia  reaktan  i  (H 2 ,  O 2 ,  N 2 ,  H 2 O)  yang bereaksi  menghasilkan  produk,  yang  terjadi  pada  area  lapisan  difusi,  membrane  dan  katalis.  Persamaan  difusi konveksi menggunakan persamaan Maxwell-Stefan berikut.
(7)
di mana D ij = koefisien difusi (m 2 /s), p = tekanan (Pa), T = temperature (K), u = vector kecepatan (m/s), x = mol, ω = fraksi massa, ρ = densitas (kg/m 3 )
Densitas merupakan fungsi fraksi mol dan  massa molal (M, kg/mol)
(8)
Pada  lapisan  katalis,  laju  reaksi  R i untuk  laju  konsumsi  dan  produksi  masing-masing  spesies  diberikan  sebagai berikut.
; ; (9)
Di mana F adalah konstanta Faraday (C/mol) dan j a , j c densitas arus transfer lokal di lapisan katalis anoda dan katoda yang ditentukan menurut Persamaan Buttler-Volmer.
Muatan  listrik  menggunakan  persamaan  konservasi  muatan  arus  ionic  dan  elektronis  yang  terjadi  akibat adanya perpindahan ion proton (melalui membrane) dan electron (yang melewati beban luar, melalui kolektor arus). Kontinuitas arus dari persamaan Ohm dituliskan sebagai berikut.
(untuk electron)  ; (untuk proton) (10)
Di sini = potensial fase (volt) ,   = konduktivitas listrik efektif (S/m) dan subskrip s dan m adalah fase solid  kolektor  dan  membrane.  S  =  suku  sumber  hasil  reaksi  elektrokimia  yang  terjadi  di  lapisan  katalis  dan ditunjukan oleh persamaan berikut.
S m = j a ;   S s = - j a (untuk katalis anoda)  dan  S m = j c ;   S s = - j c (untuk katalis katoda) (11)

## 2.3 Implementasi (Simulation)
Pemodelan  menggunakan  aplikasi  simulasi  COMSOL  dengan  teknik  penyelesaian (solver) elemen hingga  untuk  komputasi  numerik  persamaan-persamaan  atur.  Solver non  linear  stationary digunakan karena suku-suku sumber merupakan persamaan konservasi arus yang membuat permasalahan non linear. Akibatnya  konvergensi  iteratif  perhitungan  sangat  dipengaruhi  oleh  nilai  awal  perhitungan.    Terdapat modul  kalkulasi untuk penyelesaian  yaitu  modul DC Media Konduktif  untuk penyelesaian pertama dari input  nilai  awal,  kedua  yaitu  modul Navier-  Stokes Inkompresibel  dan  Hukum  Darcy  yang  akan memberikan  hasil  perhitungan  simultan  kondisi  awal.  Sesudah  kedua  modul  tersebut  mencapai konvergensi dalam perhitungan iteratifnya, semua modul termasuk difusi konveksi Maxwell-Stefan akan diselesaikan secara simultan untuk nilai konvergensi akhir. Beberapa pendefinisan domain geometri dan kondisi batas disampaikan dalam gambar 4 berikut.
Gambar 4. Modelisasi fisik dan kondisi batas
Pada  gambar  4,  geometri  domain  komputasi  yang  didefinisikan  berupa  area  domain  pada  lapisan difusi  gas  anoda  (Ωa),  membrane  (Ωm)  dan  lapisan  difusi  gas  katoda  (Ωc).    Untuk  kondisi  batas digunakan terminology sub domain pada sisi saluran masuk dan keluar anoda (δΩa, inlet dan δΩa, outlet), sisi kolektor arus anoda (δΩa,cc), sisi lapisan katalis anoda (δΩa), sisi saluran masuk dan keluar katoda
Φs,a Φs,c P in, a P out, a ε, T ε, T P in, c P out, c Ωa Ωc δΩc δΩa δΩc,c c a  δΩa,cc INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI INSULASI Ωm δΩa,inlet δΩc,outlet δΩa,outlet δΩc,outlet
(δΩc, inlet dan δΩc, outlet), sisi kolektor arus katoda (δΩc,cc) dan sisi lapisan katalis anoda (δΩc). Nilai kondisi  batas  pada  masing-masing  sisi  tersebut  meliputi  besaran  potensial  listrik,  temperature,  tekanan operasi, dan porositas, diberikan dalam tabel  1 berikut ini.
Tabel 1. Parameter Simulasi dan Konstanta No Parameter Simulasi Nilai dan Satuan Notasi Tools Simbol/Lokasi 1 Electrical Potential (anode) 0 (volt) fisa0 δΩa,cc 2 Electrical Potential (katode) 0,6; 0,7; 0,8 (volt) Vcell δΩc,cc 3 Temperatur 70, 80, 90 ( o C) T δΩa,inlet 4 Tekanan masuk (anode) 5, 10, 15 (psig) Pa_in δΩa,inlet 5 Tekanan masuk (katode) 5, 10, 15 (psig) Pc_in δΩc,inlet 6 Tekanan keluar 101325 Pa Pref δΩa&c,outlet 7 Porositas lapisan difusi 0,2; 0,4; 0,6 emic ε 8 Fraksi massa hidrogen 0,1 ωH 2 _in δΩa,inlet 9 Fraksi massa oksigen 21% * 0,8 ωO 2 _in δΩc,inlet 10 Fraksi massa H 2 O (uap) 0,2 ωH 2 O δΩa & c,inlet
Untuk  pembuatan  grid/mesh,  seperti  dalam  gambar  5  dan  6,    digunakan  setting  default  yang  ada, diinisialisasi  dengan  menggunakan  kualitas  mesh sparse dan  refine  mesh  untuk  eksekusi  perhitungan komputasi. Komputasi dilakukan menggunakan toolbar simulasi sesuai default yang ada di dalam solver manager dan mengubah solver Direct (UMFPACK) yang ada di dalam solver parameter.
(a) Inisial Mesh (coarse)
(b) Inisial hasil i a pada lapisan katalis
Gambar 5. tahap awal meshing dan hasil densitas arus pada katalis anode
(a) Inisial Mesh (Refine)
(b) Inisial hasil i a pada lapisan katalis
Gambar 6. Refine meshing dan hasil densitas arus pada katalis anode sebagai nilai kondisi awal

## 6. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 6 hasil inisialisasi kondisi batas awal menunjukkan bahwa distribusi densitas arus local pada  lapisan  katalis  anoda  tidak  sama,    ia  mencapai  nilai  maksimum  sebesar  4200  A/m 2 (sebagai  nilai kondisi awal, initial condition ) pada jarak 1,5 mm tepatnya pada sisi atas kolektor arus anoda. Pada lokasi tersebut  laju  kinetika  reaksi  optimum  di  mana  fluks  massa  H 2 dan  O 2 dalam  laju  reaksi  reduksi  O 2 menentukan distribusi densitas arus yang terjadi.
Sesuai  dengan  batasan  analisa  yang  diberikan  bahwa  akan  dikaji  hasil  model  komputasi  dari  sub domain  electrode  dan  membrane  pengaruh  parameter  desain  dan  operasi  yaitu  temperature,  tekanan,, tegangan, porositas dan rib yang masing-masing dituliskan kembali di dalam tabel 2 berikut.
Tabel 2. Parameter Desain dan Operasi No Parameter Simulasi Besaran Nilai Satuan 1 Tekanan inlet reaktan 5 , 10 , 15 Psi.g 2 Temperatur operasi 343 , 353 , 363 o K 3 Tegangan Operasi 0,6 ; 0,7 ; 0,8 V 4 Porositas lapisan difusi 0,2 ; 0,4 ; 0,6 - 5 Kedalaman pelat elektrode 1 ; 1,25 ; 1,5 mm
Sementara  itu  diberikan  pula  beberapa  parameter  analisa  hasil  pemodelan  yang  meliputi  distribusi parameter  dinamik  aliran  seperti  tekanan  statis,  kecepatan;  distribusi  massa  spesies  maupun  distribusi densitas  arus  sebagai  parameter  indikator  utama  dalam  analisa  simulasi  sel  tunam  ini  berdasarkan parameter/variabel simulasi  yang  terdapat di dalam tabel 2. Selengkapnya  masing-masing hasil simulasi tersebut disajikan dalam uraian berikut ini.
a. Simulasi  tekanan  operasi  10,  15  (psi.g)  pada  sisi  inlet  anode  dan  katode  pada  gambar  7  dan  8 menunjukkan bahwa Nilai tekanan operasi berbanding lurus terhadap densitas arus
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 7. Hasil Simulasi Tekanan Inlet Pa_in = Pc_in = 10 psi.g
(a) Distribusi Tekanan (b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 8. Hasil Simulasi Tekanan Inlet Pa_in = Pc_in = 15 psi.g
b. Simulasi  temperatur  operasi  343,  353  dan  363  ( o K)  dalam  gambar  9,  10  dan  11  berikut  ini menghasilkan bahwa Nilai temperature operasi berbanding terbalik terhadap densitas arus.
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 9. Hasil Simulasi Temperatur Operasi T = 343 o K
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 10. Hasil Simulasi Temperatur Operasi T = 353 o K
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan (c) Distribusi densitas arus
Gambar 11. Hasil Simulasi Temperatur Operasi T = 363 o K
c. Simulasi tegangan listrik operasi 0,6;  0,7; 0,8 (V) yang ditunjukkan dalam gambar 12,13 dan 14 di bawah ini bahwa Nilai tegangan operasi berbanding terbalik terhadap densitas arus.
(b) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan (c) Distribusi densitas arus
Gambar 12. Hasil Simulasi Tegangan listrik operasi Vcell = 0,6 V
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 13. Hasil Simulasi Tegangan listrik operasi Vcell = 0,7 V
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan (c) Distribusi densitas arus
Gambar 14. Hasil Simulasi Tegangan listrik operasi Vcell = 0,8 V
d. Simulasi  porositas  lapisan  difusi  0,2  ;  0,4  ;  0,6  menunjukkan  Nilai  berbanding  lurus  terhadap densitas arus sebagaimana dalam gambar 15 berikut.
(a) emic = 0,2 (b) emic = 0,4 (c) emic = 0,6
Gambar 15. Hasil Simulasi Porositas GDL untuk Porositas Katalis emac = 0,4
e. Simulasi  kedalaman  rib  1  ;  1,25  ;  1,5  (mm)  pada  gambar  16,  17  dan  18  memberikan  hasil  bahwa Nilai kedalaman rib pada GDL berbanding parabolis dengan densitas arus
(a) Distribusi Tekanan (b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 16. Hasil Simulasi kedalaman rib 1 mm
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 17. Hasil Simulasi kedalaman rib 1,25 mm
(b) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan (c) Distribusi densitas arus
Gambar 18. Hasil Simulasi kedalaman rib 1,5 mm
(a) Distribusi Tekanan
(b) Distribusi kecepatan
(c) Distribusi densitas arus
Gambar 19. Hasil Simulasi Optimasi Desain dan Operasi
(a) Kondisi Initial
(b) Kondisi Optimum
Gambar 20. Hasil Simulasi Optimasi Desain dan Operasi Kinerja Densitas Arus katalis Anode
Selanjutnya dari masing-masing efek parameter tersebut, maka dilakukan optimasi parameter desain dan operasi dengan criteria berikut, yang hasilnya diberikan dalam gambar 19 :
a. Tekanan optimum sebesar 15 psi.g
(Pa_in=Pc_in)
b. Temperatur operasi optimum sebesar 70 o C (T) c. Tegangan operasi sel tunam sebesar 0,6 volt (Vcell) d. Nilai porositas katalis ditentukan sebesar  0,4 (emac)
e. Nilai porositas GDL ditentukan sebesar  0,6 (emic)
f. Nilai kedalaman rib pada GDL diambil sebesar 1 mm  (depth)
Dari gambar 20 di atas grafik hasil optimasi parameter desain dan proses sel tunam diperoleh bahwa besarnya  kinerja  densitas  arus  anoda  pada  lapisan  katalis  menunjukkan  nilai  perbedaan  antara  kondisi inisial  simulasi  dan  optimasi  masing-masing  sebesar  4200  A/m 2 dan  10750  A/m 2 .  Dapat  dikatakan besarnya densitas arus katalis anode bertambah hingga 256 % terhadap kondisi inisial.
7. KESIMPULAN
a. Kinerja sebuah sel tunam membrane pertukaran proton sangat ditentukan oleh parameter desain dan operasi yang digunakan.
b. Densitas arus memiliki korelasi proporsional secara linier terhadap parameter tekanan statis operasi, namun  korelasinya  menjadi  berbanding  terbalik  oleh  pengaruh  besarnya  temperature  operasi, tegangan listrik operasi, porositas lapisan difusi gas dan kedalaman pelat electrode (rib) pada lapisan difusi.
c. Dari hasil simulasi pada parameter optimum operasi dan desain yaitu sebesar tekanan statis 15 psi.g, temperature saturasi air 70 o C, tegangan listrik 0,6 volt, porositas lapisan difusi 0,6 dan kedalaman rib 1 mm, diperoleh nilai optimasi densitas arus katalis anode sebesar 10750 A/m 2 .
d. Terdapat kenaikan nilai densitas arus dari kondisi optimasi sebesar 256% terhadap nilai kondisi awal pada 10 psi.g, 80 o C, 0,7 volt, porositas difusi 0,6, porositas katalis 0,4 dan depth 1 mm.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  menyampaikan  terima  kasih  atas  kesempatan  berkontribusi  dalam  Program  Kegiatan Pengembangan  Sel  Tunam  Membrane  Pertukaran  Proton  (PEM  Fuel  Cell)  yang  dilaksanakan  di Puslitbang  Teknologi  Energi  Terbarukan  dan  Ketenagalistrikan  Kementerian  ESDM  tahun  Anggaran 2011.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Koruplolu, V.B.R, et.al, 2015. “Effect of Parameters on The  Performance of PEM  Fuel Cell  with Various Flow Field Geometries-A Theoritical Study.” International Journal of Engineering Science & Advanced Technology 5(2). 102-110.
[2] Kerkouf,  Y.,  Ziari,  Y.K.,  Benzaoui,  A.,  2013.”Effect  of  Pressure  in  Proton  Exchange  membrane Fuel Cell (PEMFC).” International Journal of Enegry Engineering 3(3). 158-164.
[3] Kahveci,  E.E.  and  Taymaz,  I.  2014.  “An  Investigation  of  GDL  Porosity  on  PEM  Fuel  Cell Performance.” Chemical Engineering Transactions 42.  37-42.
[4] Shokuhfar,  A.,  Nejadseyfi,  O.,  Zolriasatein,  2013.”A  Numerical  Study  of  the  Influence  of  Gas Diffusion  Layer  Porosity  on  Cell  Performance  of  Counter  Flow  Proton  Exchange  membrane  Fuel Cells.” Iranica Journal of Energy & Environment 4(2). 126-129.
[5] Wei,  Y.  and  Zhu,  H.  2011.  “Model  and  Simulation  of  Proton  Exchange  membrane  Fuel  Cell Performance at Different Porosity of Diffusion Layer.” I.J. Modern Education Computer Science 2. 22-28.
[6] Ameri,  M.  and  Oroojie , P.  2011.  “Two  Dimensional  PEM  Fuel  Cell  Modeling  at  Different Operation Voltages.” , Proceeding World Renewable Energy Congress Sweden.
[7] Kahveci,  E.E.  and  Taymaz,  I.  2015.  “Effect  of  Humidification  of  the  Reactant  Gas  in  the  Proton Exchange membrane Fuel Cell.” Journal of Clean Energy Technologies 3(5.) 356-359.
[8] Ionescu,V. 2013 “High Temperature PEM Fuel Cell Steady State Transport Modelling.” VERSITA Ovidius University Annals of Chemistry 24(1), pp 55-60.
[9] Ionescu, V. 2014 “ Finite Element Method Modelling of a High Temperature PEM Fuel Cell.” Rom. Journ.Phy. 59(3-4). 285-294.
[10] Shi,  Z.,  Wang  X.,Zhang,  Z.  2006.  ”  Comparison  of  Two-Dimensional  PEM  Fuel  Cell  Modelling using COMSOL Multiphysics.” Proceeding COMSOL Users Conference Boston .
[11] Pourmahmoud,  N.,  et.  al.  2011  “Three  Dimensional  numerical  Analysis  of  Proton  Exchange membrane Fuel Cell”. Journal of Mechanical Science and Technology 25(10), 2665-2673.