PENGONTROLAN KUALITAS ANODE SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) MELALUI PENGONTROLAN POROSITAS. Sulistyo

Transkripsi

1 PENGONTROLAN KUALITAS ANODE SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) MELALUI PENGONTROLAN POROSITAS Sulistyo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Indonesia listyo2007@gmail.com, listyo2007@yahoo.com Abstrak Solid oxide fuel cell (SOFC) adalah perangkat pengubah energi yang mengubah energi gas menjadi energi listrik secara langsung dengan produk buangan berupa panas dan uap air jika gas yang dipakai gas hidrogen. Komponen utama SOFC adalah anoda, elektrolit dan katoda yang terbuat dibuat dari material keramik dan beroperasi pada temperatur οC. Kualitas komponen anoda SOFC sangat dipengaruhi oleh porositas anoda. Porositas anoda SOFC dapat mempengaruhi pada kekuatan (strength) anoda dan permeabilitas dan sifat kelistrikan anoda. Paper ini membahas tentang pembuatan anoda SOFC yang mempunyai porositas tertentu. Pembuatan porositas anoda menggunakan material tepung jagung dan material anoda adalah NiO/YSZ (Nickel oxide/yttria Stabilized Zirconia). Pengontrolan porositas anoda dilakukan dengan menambahkan tepung pada serbuk anoda dengan perbandingan tertentu dan disinter pada suhu 1350οC. Kualitas anoda yang diukur adalah porositas anoda, kekuatan dan sifat kelistrikan. Pengukuran porositas anoda dengan metode Archimedes dan pengukuran kualitas kekuatan anoda dengan metode bending dan sifat kelistrikan yang diukur menggunakan impedance spectroskopi. Hasil yang diharapakan adalah memperoleh informasi tentang pengontrolan porositas, kekuatan bending strength dan sifat kelistrikan anoda SOFC. Kata kunci: SOFC, Porositas, Kekuatan Bending, Sifat Kelistrikan sehingga perpindahan gas dari anoda ke elektrolit berfungsi dengan baik. Keegan and Cooper [5] menyatakan bahwa nilai porositas anoda berkisar antara % untuk memudah perpindahan massa, sedangkan material anoda biasanya adalah cermet (ceramic metal composite), yaitu material anoda yang tersusun dari material metal dan keramik [5]. Material cermet yang banyak dipakai pada anoda SOFC adalah NiO/YSZ (Nickel Oxide/ Yttria Stabilized Zirconia). Fungsi dari unsur Ni adalah sebagai katalis dan konduktor, sedangkan YSZ menyiapkan nilai koefisien ekspansi thermal yang sesuai dengan material elektrolit YSZ [6]. Persyaratan yang yang lain dari anoda adalah sebagai penguat elektrolit jika sebagai anode supported solid oxide fuel cell, sehingga Pendahuluan Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) adalah perangkat pengubah energi elektrokimia gas menjadi listrik secara langsung berbasis material keramik [1]. Jika gas hidrogen yang digunakan pada peralatan tersebut maka produk buangannya adalah uap air dan panas [2]. Komponen utama dari SOFC adalah anoda, elektrolit dan cathoda [3]. Fungsi dari komponen anoda adalah sebagai katalis gas yang mengubah gas menjadi ion bermuatan positif dan elektron, elektrolit berfungsi sebagai media yang mengantarkan ion negatif oksigen dari katoda menuju anoda dan komponen katoda berfungsi sebagai katalis yang mengubah gas oksigen menjadi ion negatif [4]. Komponen anoda harus berpori

2 mampu mendukung beban saat beroperasi [5, 7]. Proses pembuatan anoda yang memiliki porositas tertentu dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satu metode yang mudah dilakukan adalah dengan metode kompaksi, sedangkan pengontrolan porositas dilakukan dengan penambahan pore former yang berupa tepung jagung. Peningkatan kekuatan green compact dilakukan proses sintering pada suhu operasi 1350οC [8]. Fungsi proses sintering selain meningkatkan kekuatan anoda juga dapat mengontrol porositas anoda [9]. Motode kompaksi dipilih karena relatif murah dan tidak rumit serta mudah pengoperasiannya. Porositas pada anoda memerlukan pengontrolan yang baik karena berfungsi untuk transport massa gas, nilai porositas yang tinggi memudahkan gas melalui anoda dan memperbanyak three phase boundary (TPB) di interface anoda elektrolit [6]. TPB ini adalah titik pertemuan antara anoda, elektrolit dan pori. Seperti yang diilustrasikan pada gambar 1. adalah reaksi antara ion hidrogen dan ion oksigen yang ada pada elektrolit membentuk uap air seperti reaksi (2), 2 H+ + Pada TPB ini terjadi proses reaksi yang pertama penguraian hidrogen gas menjadi atom hidrogen dan elektron, 2 H+ + 2 e- (2) Reaksi (1) dan (2) dijaga berlangsung terus dengan mensuplai gas hidogen pada anoda dan oksigen (udara) sisi katoda secara terus menerus. Elektron akan diproduksi secara berkesinambungan menuju beban melalui eksternal konduktor. Dengan demikian akan diproduksi elektron secara kontinu maka arus listrik diproduksi kontinu pula [1]. Proses reaksi ini dapat berlangsung pada rentang suhu οC jika memanfaatkan material NiO/YSZ pada anoda, material YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) pada elektrolit dan LSM/YSZ (Lantanum Strontium Manganite/ Yttria Stabilized Zirconia) pada material katoda [9]. Jumlah TPB di interface anoda dan elektrolit agar diperbanyak sehingga reaksi (1) dan (2) meningkat yang mampu memproduksi elektron semakin banyak tiap satu satuan waktu. Peningkatan TPB ini berhubungan langsung dengan peningkatan nilai porositas anoda [9]. Porositas anoda meningkat maka jumlah TPB semakin banyak [6]. Nilai porositas anoda dapat direkayasa melalui pengontrolan pembentuk pori (pore former) yang ditambahkan dalam proses pembuatan anoda. Rym [12] mengevaluasi nilai porositas pada material keramik yang digunakan pada membrane untuk penyaring, sedangkan Eva [13] mengevaluasi nilai porositas keramik dengan memanfatkan berbagai jenis tepung. Nilai porositas material secara umum mempengaruhi nilai kekuatan (strength) material tersebut. Weckmann [14] melakukan evaluasi nilai porositas dan kekuatan lengkung (bending strength) anoda berpori untuk SOFC. Data yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai porositas meningkat, kekuatan lengkungnya menurun. Efek porositas dan sifat kelistrikan diamati pada anoda SOFC. Nilai porositas anoda meningkat maka nilai konduktifitas listrik menurun [9]. Pada paper ini membahas Gambar 1. Ilustrasi Ni-YSZ three phase boundary [6] H2 O (1) Atom Ni pada anoda berfungsi sebagai katalis yang mampu menguraikan gas hidrogen menjadi ion hidrogen dan elektron [1], elektron yang terbentuk disalurkan ke beban melalui eksternal konduktor kemudian dialirkan ke katoda [10, 11]. Yang kedua

3 tentang aspek porositas pada sifat kelistrikan dan kekuatan lengkung. Eksperimen Material awal adalah berupa serbuk NiO/YSZ untuk aplikasi umum dengan prosentase 60 wt% dan 40 wt% YSZ8. Ukuran serbuk adalah 0.5 µm (FCM, USA), pembentuk pori adalah tepung jagung komersial dengan ukuran butir 12 µm (lokal). Binder pada proses kompaksi menggunakan PVA (polyvynil alcohol) yang dilarutkan dalam air 85 % dengan perbandingan air dan 15 % PVA. Jumlah pore former persen berat adalah 20 %,25 %, 30 %, 35 % dan 40 % wt. Jumlah binder adalah 3 % berat. Beban kompaksi menggunakan beban 7,5 MPa sampai 17,5 MPa. Proses sintering dilakukan pada suhu suhu 1300ο C sampai 1500οC. Karakterisasi anoda meliputi pengukuran porositas, beban lentur dan sifat kelistrikan. Pengukuran porositas menggunakan metode Archimides dengan mengacu pada standard ASTM C Beban lentur diuji dengan menggunakan tipe mesin Shimadzu AG-I Universal Testing Machine mengacu pada standar ASTM C Sifat kelistrikan anoda dilakukan dengan pengujian impedansi menggunakan Solatron S 1260 A, Impedance/Gain-Phase Analyzer complete with PC sofware, England. Gambar 2: Grafik hubungan beban kompaksi, pore former dan porositas anoda. Dari gambar 2 menunjukan bahwa porositas sangat dipengaruhi jumlah former yang ditambahkan pada serbuk dan beban kompaksi. Pengaruh pore former terhadap porositas anoda, green compact anoda di tekan pada beban konstan 5 MPa, kemudian dilanjutkan proses sintering pada suhu 1350ο C, selama 3 jam. Pada pore former 5 wt%, nilai porositas anoda adalah 32 %, sedangkan pada pore former 15 wt% nilai porositas anoda adalah 39.3 %. Peningkatan pore former menyebabkan celah diantara partikel anoda bertambah. Kondisi ini akibat proses sintering yang membakar pore former tepung jagung pada suhu sekitar 600ο C [13]. Tepung jagung terbakar dan lenyap membentuk lubang (pori) pada material NiO/YSZ anoda. Semakin meningkat tepung jagung yang ditambahkan pada anoda semakin banyak pori yang terbentuk. Hal ini sesuai yang dilakukan oleh Eva [15] dan Rym [12]. Pada evaluasi peningkatan beban kompaksi terhadap porositas anoda terlihat pada gambar 2. Hubungan antara porositas terhadap beban kompaksi adalah nilai porositas anoda menurun jika beban kompaksi meningkat. Pore former yang ditambahkan adalah konstan sebanyak 5 wt% dan proses sintering dilakukan pada suhu 1350οC selama Data percobaan dan Pembahasan Data open porositas material anoda disajikan dalam grafik 1. Grafik 1 memuat hubungan antara porositas anoda terhadap beban kompaksi dan pore former yang ditambahkan pada material serbuk anoda.

4 3 jam. Pada beban kompaksi 15 MPa nilai porositas anoda adalah 33.8 % sedangkan pada beban kompaksi 25 MPa nilai porositas anoda adalah 26.5 %. Peningkatan beban kompaksi akan meningkatkan kerapatan partikel-partikel serbuk. Jarak antar apartikel serbuk yang satu dengan partikel serbuk yang lain semakin dekat. Permukaan partikel akan saling menyentuh dan kondisi ini antar partikel akan membentuk neck (leher) [16]. Celah diantara partikel semakin sedikit atau dikatakan green compact semakin rapat (dense). Dengan terbentuknya leher antar partikel dan partikel semakin rapat akan memudahkan proses difusi antara partikel, selama proses sintering sehingga material semakin sedikit terbentuknya pori [17]. Kondisi ini sesuai dengan hasil eksperimen yang dilakukan oleh Rym yang mengevaluasi aspek beban kompaksi terhadap nilai porositas membran keramik [12]. Peningkatan beban kompaksi memberikan kesempatan partikel saling mengunci membentuk leher, energi yang tersimpan dalam leher antar partikel lebih tinggi dibandingkan dengan energi yang ada pada partikel tanpa leher. Kondisi ini memudahkan atom-atom bergerak dari satu tempat ke tempat yang lain sehingga memudahkan proses difusi [18]. Proses difusi semakin mudah, ikatan partikel semakin kuat, celah yang terbentuk pada material anoda semakin sedikit. Jumlah Pori-pori pada material semakin sedikit. Kondisi ini ditunjukkan dengan nilai porositas yang semakin menurun. Aspek suhu sintering pada porositas anoda ditunjukan pada gambar 3. Pada proses sintering ini dilakukan pada suhu yang bervariasi dari suhu 1300ο C sampai suhu 1450ο C; selama 3 jam dengan beban kompaksi 5 MPa dan pore former 5 wt%. Gambar 3. Hubungan suhu sintering dan porositas anoda. Nilai porositas anoda semakin turun dengan proses sintering yang semakin tinggi. Pada suhu 1300οC nilai porositas anoda adalah 35.7% sedangkan pada suhu 1450ο C nilai porositas anoda 25.2 %. Proses sintering yang semakin tinggi memberikan proses difusi semakin mudah. Energi atom semakin mudah bervibrasi dari satu tempat yang punya konsentrasi atom tinggi ke tempat yang konsentrasi yang rendah [18]. Konsentrasi yang rendah dimiliki pinggir-pinggir pori yang bersinggungan dengan partikel anoda yang kaya atom, sehingga atom-atom akan bergerak dari partikel menuju pori. Semakin tinggi suhu sinteringnya maka atom akan mudah bergerak menuju pori sampai kondisi terjadi keseimbangan, dimana energi yang dimiliki atom hampir sama [17]. Dengan demikian pori akan terisi atom, celah semakin sedikit, pori yang terbentukpun semakin berkurang. Jika pori semakin berkurang maka porositas material semakin menurun. Kondisi ini sesuai dengan yang ditunjukkan hasil eksperimen pada gambar 3 bahwa suhu sintering meningkat akan menurunkan nilai porositas anoda, dan hal ini didukung oleh eksperimen yang dilakukan oleh Eva [15] dan Rym [12].

5 Aspek porositas terhadap kekuatan anoda yang ditunjukan oleh kekuatan lentur (bending strength) disajikan dalam gambar 4. Kekuatan lentur mempunyai peranan yang sangat penting dalam mendukung beban SOFC. Anode supported SOFC harus mampu mendukung beban elektrolit dan katoda saat beroperasi [1, 5], sehingga pemakaian anoda yang mempunyai porositas dengan kekuatan lentur yang tinggi sangat dominan. Pada gambar 5 memberikan ilustrasi tentang hubungan porositas dan sifat kelistrikan. Sifat kelistrikan yang diukur adalah impedance pada suhu kamar. Impedance yang diukur hanya dua kondisi yang memiliki porositas yang berbeda. Gambar 4. Hubungan antara porositas anoda dan kekuatan lentur (bending strength). Terlihat pada gambar 4 hubungan antara porositas anoda dan kekuatan lentur (bending strength) anoda. Semakin meningkat nilai porositas maka kekuatan lentur menurun. Pada porositas 25 vol% mempunyai nilai kekuatan lentur 98 MPa, sedangkan pada porositas 39 vol% mempunyai kekuatan lentur 48.3 MPa. Porositas yang relatif tinggi mempunyai pori-pori yang semakin banyak, sehingga antar partikel satu dengan yang lain mempunyai celah yang banyak, rantai ikatan partikel renggang. Dukungan ikatan satu partikel dengan partikel yang lain sangat lemah sehingga material semakin menurun kekuatannya karena material kurang rapat [19]. Porositas yang meningkat menyebabkan dukungan partikel satu ke partikel menurun, partikel mudah lepas sehingga kekuatannya turun. Hasil eksperimen yang telah dilakukan tidak berbeda dengan yang telah dilakukan oleh peneliti lain [19]. Ji [20] juga telah melakukan eksperimen yang sama, mengevaluasi porositas anoda dan kekuatan lentur. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa porositas semakin meningkat keuatan lenturnya menurun. Gambar 5. Hubungan antara porositas anoda dan impedance anoda yang dilakukan pada suhu kamar. Gambar 5 menunjukkan bahwa harga impedance diambil pada frequensi yang nilai 0, sehingga nilai yang ada adalah hambatan. Terlihat bahwa nilai hambatan yang memiliki porositas yang tinggi mempunyai nilai hambatan yang lebih besar dibandingkan yang mempunyai porositas yang rendah. Simwonis [19] menjelaskan bahwa porositas yang relatif tinggi, ikatan antar partikel tidak begitu rapat sehingga daya hantar listriknya semakin sulit dibandingkan dengan partikel yang rapat. Porositas yang rendah mempunyai rantai ikatan yang rapat sehingga mempunyai daya hantar listrik yang mudah. Ji [20] juga telah membuktikan bahwa porositas yang rendah mempunyai sifat listrik yang lebih baik, terutama sifat konduktifitas listriknya lebih

6 nilai kelistrikan yang tertinggi dengan nilai porositas tertentu. 3. Diperlukan proses yang lain sebagai pembanding untuk memperoleh Anode supported SOFC yang dapat digunakan untuk menghasilkan prototipe Anode supported SOFC yang lengkap dengan elektrolit dan katoda. tinggi pada porositas yang relatif kecil. Peneliti lain juga membuktikan bahwa porositas yang kecil mempunyai konduktifitas yang lebih tinggi dibandingkan ddengan anoda yang porositasnya lebih tinggi [9]. Hasil eksperiemn yang diperoleh pada gambar 5 memberikan informasi bahwa porositas yang tinggi mempunyai impedance listrik yang lebih tinggi dibanding dengan anoda yang memiliki porositas yang rendah. Referensi [1] Wolf Vielstich, H.Y., Hubert A Gasteiger, Handbook of Fuel Cells Fundamentals Technology and Applications2009, Chichester, West Sussex, United Kingdom: John Wiley & Sons. Kesimpulan Dari pembahasan tentang pengaruh porositas pada material anoda dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. [2] Li, X., Principles of Fuel Cells2006, Madison Avenue, New York, USA: Taylor & Francis Group. 1. Pengontrolan porositas anoda SOFC dapat dilakukan dengan menambahkan pembentuk pori (pore former), proses sintering dan beban kompaksi. 2. Suhu sintering semakin tinggi pada proses perlakuan panas anoda SOFC dapat menurunkan porositas anoda. Demikian juga beban kompaksi yang tinggi mampu menurunkan porositas anoda. 3. Beban lentur (bending strength) anoda sangat dipengaruhi nilai porositasnya. Porositas rendah diperoleh bending strength yang tinggi. 4. Porositas yang tinggi berpengaruh pada nilai impedance listrik. Nilai porositas anoda yang tinggi menghasilkan impedance listrik yang tinggi. 5. Pengontrolan porositas pada anoda sangat menentukan sifat kelistrikan dan beban lenturnya. [3] Shabana P.S. Shaikh, A.M., Mahendra R. Somalur, A Review on the Selection of Anode Materials for Solid-Oxide Fuel Cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, : p [4] Fergus, J.W., Oxide anode materials for solid oxide fuel cells. Solid State Ionic, : p [5] Keegan C. Wincewicz, J.S.C., Taxonomies of SOFC material and manufacturing alternatives. Journal of Power Sources, : p [6] Stimming, C.S.a.U., Review Recent Anode Advances in Solid Oxide Fuel Cells. Journal of Power Sources, : p Saran Hasil yang diperoleh dari pembahasan ini perlu diberikan saran sebagai berikut. [7] Sglavo, M.C.a.V.M., Influence of Processing Conditions on the Microstructure of NiO-YSZ Supporting Anode for Solid Oxide Fuel Cells. Ceramics International, : p Perlu mengkaji yang lebih dalam nilai porositas anoda dengan melakukan evaluasi ukuran dan distribusi yang terjadi dalam material anoda. 2. Diperlukan optimasi untuk mencari nilai optimum dari anoda SOFC yang mempunyai

7 [8] Thomaz Augusto Guisard Restivo, S.R.H.M.-C., Sintering studies on Ni Cu YSZ SOFC anode cermet processed by mechanical alloying. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Springer, : p [15]Eva Gregorov a, W.P., Porosity and pore size control in starch consolidation casting of oxide ceramics Achievements and problems. Journal of the European Ceramic Society : p [9] Liu, Z.C.a.J.-H.W.a.M., Anodes,in Jeffrey W. Fergus (Ed.)Green Chemistry and Chemical Engineering Solid Oxide Fuel Cells Materials Properties and Performance2009, Boca Raton, USA: CRC Press Taylor & Francis Group. [16]Rahaman, M.N., Ceramic Processing2007, Boca Raton, Florida, USA: CRC Press Taylor & Francis Group. [17]Rahaman, M.N., Sintering of Ceramics2008, Boca raton, Florida, USA: CRC Press Taylor & Francis Group. [10]S.Sulistyo, S.A., S.Mahzan Manufacturing of Electrolyte and Cathode Layers SOFC Using Atmospheric Spraying Method and Its Characterization. International Journal of Science and Engineering (1): p [18]Barsoum, M., Materials Science and Engineering Series, Fundamentals of Ceramics1997, United States of America: McGraw-Hill Companies. [19]D. Simwonis, H.T., F.J. Dias, A. Naoumidis, D. StoÈver, Properties of Ni/YSZ porous cermets for SOFC anode substrates prepared by tape casting and coat-mix process. Journal of Materials Processing Technology, : p [11]Ryan P. O'Hayre, S.-W.C., Whitney Colella, Fritz B. Prinz, Fuel Cell Fundamentals2006, United State of America: John Wiley & Sons, Inc. [12]Rym Dhouib Sahnoun, S.B., Characterization of Flat Ceramic Membrane Supports Prepared with Kaolin-Phosphoric Acid-Starch. Applied Clay Science : p [20]Ji Haeng Yu, G.W.P., Shiwoo Lee, Sang Kuk Woo, Microstructural effects on the electrical and mechanical properties of Ni YSZ cermet for SOFC anode. Journal of Power Sources : p [13]Eva Gregorov a, W.P., Ivan Bohaˇcenko, Characterization of different starch types for their application in ceramic processing. Journal of the European Ceramic Society : p [14]H. Weckmann, A.S., Z. Ilhan, and J. Arnold, Development of Porous Anode Layers for the Solid Oxide Fuel Cell by Plasma Spraying. Journal of Thermal Spray Technology, (4): p