Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 PENGONTROLAN …eprints.ulm.ac.id/636/1/KE-59.pdf · Karakterisasi anoda meliputi pengukuran porositas, beban lentur dan sifat kelistrikan. Pengukuran

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

PENGONTROLAN KUALITAS ANODE SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) MELALUIPENGONTROLAN POROSITAS

SulistyoJurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Indonesia

Email : [email protected], [email protected]

AbstrakSolid oxide fuel cell (SOFC) adalah perangkat pengubah energi yang mengubah energi gas menjadienergi listrik secara langsung dengan produk buangan berupa panas dan uap air jika gas yangdipakai gas hidrogen. Komponen utama SOFC adalah anoda, elektrolit dan katoda yang terbuatdibuat dari material keramik dan beroperasi pada temperatur 500 – 1000οC.Kualitas komponen anoda SOFC sangat dipengaruhi oleh porositas anoda. Porositas anoda SOFCdapat 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 adalahNiO/YSZ (Nickel oxide/Yttria Stabilized Zirconia). Pengontrolan porositas anoda dilakukan denganmenambahkan tepung pada serbuk anoda dengan perbandingan tertentu dan disinter pada suhu1350οC.Kualitas anoda yang diukur adalah porositas anoda, kekuatan dan sifat kelistrikan. Pengukuranporositas anoda dengan metode Archimedes dan pengukuran kualitas kekuatan anoda denganmetode bending dan sifat kelistrikan yang diukur menggunakan impedance spectroskopi. Hasilyang diharapakan adalah memperoleh informasi tentang pengontrolan porositas, kekuatan bendingstrength dan sifat kelistrikan anoda SOFC.

Kata kunci: SOFC, Porositas, Kekuatan Bending, Sifat Kelistrikan

Pendahuluan

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) adalahperangkat pengubah energi elektrokimia gasmenjadi listrik secara langsung berbasismaterial keramik [1]. Jika gas hidrogen yangdigunakan pada peralatan tersebut makaproduk buangannya adalah uap air dan panas[2]. Komponen utama dari SOFC adalahanoda, elektrolit dan cathoda [3]. Fungsi darikomponen anoda adalah sebagai katalis gasyang mengubah gas menjadi ion bermuatanpositif dan elektron, elektrolit berfungsisebagai media yang mengantarkan ion negatifoksigen dari katoda menuju anoda dankomponen katoda berfungsi sebagai katalisyang mengubah gas oksigen menjadi ionnegatif [4]. Komponen anoda harus berpori

sehingga perpindahan gas dari anoda keelektrolit berfungsi dengan baik. Keegan andCooper [5] menyatakan bahwa nilai porositasanoda berkisar antara 20-40 % untukmemudah perpindahan massa, sedangkanmaterial anoda biasanya adalah cermet(ceramic metal composite), yaitu materialanoda yang tersusun dari material metal dankeramik [5]. Material cermet yang banyakdipakai pada anoda SOFC adalah NiO/YSZ(Nickel Oxide/ Yttria Stabilized Zirconia).Fungsi dari unsur Ni adalah sebagai katalisdan konduktor, sedangkan YSZ menyiapkannilai koefisien ekspansi thermal yang sesuaidengan material elektrolit YSZ [6].Persyaratan yang yang lain dari anoda adalahsebagai penguat elektrolit jika sebagai anodesupported solid oxide fuel cell, sehingga

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

mampu mendukung beban saat beroperasi [5,7].

Proses pembuatan anoda yang memilikiporositas tertentu dapat dilakukan denganberbagai cara, salah satu metode yang mudahdilakukan adalah dengan metode kompaksi,sedangkan pengontrolan porositas dilakukandengan penambahan pore former yang berupatepung jagung. Peningkatan kekuatan greencompact dilakukan proses sintering pada suhuoperasi 1350οC [8]. Fungsi proses sinteringselain meningkatkan kekuatan anoda jugadapat mengontrol porositas anoda [9]. Motodekompaksi dipilih karena relatif murah dantidak rumit serta mudah pengoperasiannya.Porositas pada anoda memerlukanpengontrolan yang baik karena berfungsiuntuk transport massa gas, nilai porositasyang tinggi memudahkan gas melalui anodadan memperbanyak three phase boundary(TPB) di interface anoda –elektrolit [6]. TPBini adalah titik pertemuan antara anoda,elektrolit dan pori. Seperti yang diilustrasikanpada gambar 1.

Gambar 1. Ilustrasi Ni-YSZ three phaseboundary [6]

Pada TPB ini terjadi proses reaksi yangpertama penguraian hidrogen gas menjadiatom hidrogen dan elektron,

H2 2 H+ + 2 e- (1)

Atom Ni pada anoda berfungsi sebagai katalisyang mampu menguraikan gas hidrogenmenjadi ion hidrogen dan elektron [1],elektron yang terbentuk disalurkan ke bebanmelalui eksternal konduktor kemudiandialirkan ke katoda [10, 11]. Yang kedua

adalah reaksi antara ion hidrogen dan ionoksigen yang ada pada elektrolit membentukuap air seperti reaksi (2),

2 H+ + O (2)

Reaksi (1) dan (2) dijaga berlangsung terusdengan mensuplai gas hidogen pada anodadan oksigen (udara) sisi katoda secara terusmenerus. Elektron akan diproduksi secaraberkesinambungan menuju beban melaluieksternal konduktor. Dengan demikian akandiproduksi elektron secara kontinu maka aruslistrik diproduksi kontinu pula [1]. Prosesreaksi ini dapat berlangsung pada rentangsuhu 500 - 1000οC jika memanfaatkanmaterial NiO/YSZ pada anoda, material YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) pada elektrolit danLSM/YSZ (Lantanum Strontium Manganite/Yttria Stabilized Zirconia) pada materialkatoda [9].

Jumlah TPB di interface anoda danelektrolit agar diperbanyak sehingga reaksi(1) dan (2) meningkat yang mampumemproduksi elektron semakin banyak tiapsatu satuan waktu. Peningkatan TPB iniberhubungan langsung dengan peningkatannilai porositas anoda [9]. Porositas anodameningkat maka jumlah TPB semakin banyak[6]. Nilai porositas anoda dapat direkayasamelalui pengontrolan pembentuk pori (poreformer) yang ditambahkan dalam prosespembuatan anoda. Rym [12] mengevaluasinilai porositas pada material keramik yangdigunakan pada membrane untuk penyaring,sedangkan Eva [13] mengevaluasi nilaiporositas keramik dengan memanfatkanberbagai jenis tepung.

Nilai porositas material secara umummempengaruhi nilai kekuatan (strength)material tersebut. Weckmann [14] melakukanevaluasi nilai porositas dan kekuatanlengkung (bending strength) anoda berporiuntuk SOFC. Data yang diperolehmenunjukkan bahwa nilai porositasmeningkat, kekuatan lengkungnya menurun.Efek porositas dan sifat kelistrikan diamatipada anoda SOFC. Nilai porositas anodameningkat maka nilai konduktifitas listrikmenurun [9]. Pada paper ini membahas

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

tentang aspek porositas pada sifat kelistrikandan kekuatan lengkung.

Eksperimen

Material awal adalah berupa serbukNiO/YSZ untuk aplikasi umum denganprosentase 60 wt% dan 40 wt% YSZ8.Ukuran serbuk adalah 0.5 µm (FCM, USA),pembentuk pori adalah tepung jagungkomersial dengan ukuran butir 12 µm (lokal).Binder pada proses kompaksi menggunakanPVA (polyvynil alcohol) yang dilarutkandalam air 85 % dengan perbandingan air dan15 % PVA. Jumlah pore former persen beratadalah 20 %,25 %, 30 %, 35 % dan 40 % wt.Jumlah binder adalah 3 % berat. Bebankompaksi menggunakan beban 7,5 MPasampai 17,5 MPa. Proses sintering dilakukanpada suhu suhu 1300ο C sampai 1500οC.Karakterisasi anoda meliputi pengukuranporositas, beban lentur dan sifat kelistrikan.Pengukuran porositas menggunakan metodeArchimides dengan mengacu pada standardASTM C20-00. Beban lentur diuji denganmenggunakan tipe mesin Shimadzu AG-IUniversal Testing Machine mengacu padastandar ASTM C1161-94. Sifat kelistrikananoda dilakukan dengan pengujian impedansimenggunakan Solatron S 1260 A,Impedance/Gain-Phase Analyzer completewith PC sofware, England.

Data percobaan dan Pembahasan

Data open porositas material anodadisajikan dalam grafik 1. Grafik 1 memuathubungan antara porositas anoda terhadapbeban kompaksi dan pore former yangditambahkan pada material serbuk anoda.

Gambar 2: Grafik hubungan beban kompaksi,pore former dan porositas anoda.

Dari gambar 2 menunjukan bahwaporositas sangat dipengaruhi jumlah formeryang ditambahkan pada serbuk dan bebankompaksi. Pengaruh pore former terhadapporositas anoda, green compact anoda ditekan pada beban konstan 5 MPa, kemudiandilanjutkan proses sintering pada suhu 1350ο

C, selama 3 jam. Pada pore former 5 wt%,nilai porositas anoda adalah 32 %, sedangkanpada pore former 15 wt% nilai porositasanoda adalah 39.3 %. Peningkatan poreformer menyebabkan celah diantara partikelanoda bertambah. Kondisi ini akibat prosessintering yang membakar pore former tepungjagung pada suhu sekitar 600ο C [13].Tepung jagung terbakar dan lenyapmembentuk lubang (pori) pada materialNiO/YSZ anoda. Semakin meningkat tepungjagung yang ditambahkan pada anodasemakin banyak pori yang terbentuk. Hal inisesuai yang dilakukan oleh Eva [15] dan Rym[12].

Pada evaluasi peningkatan bebankompaksi terhadap porositas anoda terlihatpada gambar 2. Hubungan antara porositasterhadap beban kompaksi adalah nilaiporositas anoda menurun jika beban kompaksimeningkat. Pore former yang ditambahkanadalah konstan sebanyak 5 wt% dan prosessintering dilakukan pada suhu 1350οC selama

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

3 jam. Pada beban kompaksi 15 MPa nilaiporositas anoda adalah 33.8 % sedangkanpada beban kompaksi 25 MPa nilai porositasanoda adalah 26.5 %. Peningkatan bebankompaksi akan meningkatkan kerapatanpartikel-partikel serbuk. Jarak antar apartikelserbuk yang satu dengan partikel serbuk yanglain semakin dekat. Permukaan partikel akansaling menyentuh dan kondisi ini antarpartikel akan membentuk neck (leher) [16].Celah diantara partikel semakin sedikit ataudikatakan green compact semakin rapat(dense). Dengan terbentuknya leher antarpartikel dan partikel semakin rapat akanmemudahkan proses difusi antara partikel,selama proses sintering sehingga materialsemakin sedikit terbentuknya pori [17].Kondisi ini sesuai dengan hasil eksperimenyang dilakukan oleh Rym yang mengevaluasiaspek beban kompaksi terhadap nilaiporositas membran keramik [12].

Peningkatan beban kompaksi memberikankesempatan partikel saling menguncimembentuk leher, energi yang tersimpandalam leher antar partikel lebih tinggidibandingkan dengan energi yang ada padapartikel tanpa leher. Kondisi ini memudahkanatom-atom bergerak dari satu tempat ketempat yang lain sehingga memudahkanproses difusi [18]. Proses difusi semakinmudah, ikatan partikel semakin kuat, celahyang terbentuk pada material anoda semakinsedikit. Jumlah Pori-pori pada materialsemakin sedikit. Kondisi ini ditunjukkandengan nilai porositas yang semakinmenurun.

Aspek suhu sintering pada porositas anodaditunjukan pada gambar 3. Pada prosessintering ini dilakukan pada suhu yangbervariasi dari suhu 1300ο C sampai suhu1450ο C; selama 3 jam dengan bebankompaksi 5 MPa dan pore former 5 wt%.

Gambar 3. Hubungan suhu sintering danporositas anoda.

Nilai porositas anoda semakin turundengan proses sintering yang semakin tinggi.Pada suhu 1300οC nilai porositas anodaadalah 35.7% sedangkan pada suhu 1450ο Cnilai porositas anoda 25.2 %. Proses sinteringyang semakin tinggi memberikan prosesdifusi semakin mudah. Energi atom semakinmudah bervibrasi dari satu tempat yang punyakonsentrasi atom tinggi ke tempat yangkonsentrasi yang rendah [18]. Konsentrasiyang rendah dimiliki pinggir-pinggir poriyang bersinggungan dengan partikel anodayang kaya atom, sehingga atom-atom akanbergerak dari partikel menuju pori. Semakintinggi suhu sinteringnya maka atom akanmudah bergerak menuju pori sampai kondisiterjadi keseimbangan, dimana energi yangdimiliki atom hampir sama [17]. Dengandemikian pori akan terisi atom, celah semakinsedikit, pori yang terbentukpun semakinberkurang. Jika pori semakin berkurang makaporositas material semakin menurun. Kondisiini sesuai dengan yang ditunjukkan hasileksperimen pada gambar 3 bahwa suhusintering meningkat akan menurunkan nilaiporositas anoda, dan hal ini didukung oleheksperimen yang dilakukan oleh Eva [15] danRym [12].

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

Aspek porositas terhadap kekuatan anodayang ditunjukan oleh kekuatan lentur(bending strength) disajikan dalam gambar 4.

Gambar 4. Hubungan antara porositas anodadan kekuatan lentur (bending strength).

Terlihat pada gambar 4 hubungan antaraporositas anoda dan kekuatan lentur (bendingstrength) anoda. Semakin meningkat nilaiporositas maka kekuatan lentur menurun.Pada porositas 25 vol% mempunyai nilaikekuatan lentur 98 MPa, sedangkan padaporositas 39 vol% mempunyai kekuatanlentur 48.3 MPa. Porositas yang relatif tinggimempunyai pori-pori yang semakin banyak,sehingga antar partikel satu dengan yang lainmempunyai celah yang banyak, rantai ikatanpartikel renggang. Dukungan ikatan satupartikel dengan partikel yang lain sangatlemah sehingga material semakin menurunkekuatannya karena material kurang rapat[19]. Porositas yang meningkat menyebabkandukungan partikel satu ke partikel menurun,partikel mudah lepas sehingga kekuatannyaturun. Hasil eksperimen yang telah dilakukantidak berbeda dengan yang telah dilakukanoleh peneliti lain [19]. Ji [20] juga telahmelakukan eksperimen yang sama,mengevaluasi porositas anoda dan kekuatanlentur. Hasil yang diperoleh menunjukkanbahwa porositas semakin meningkat keuatanlenturnya menurun.

Kekuatan lentur mempunyai peranan yangsangat penting dalam mendukung bebanSOFC. Anode supported SOFC harus mampumendukung beban elektrolit dan katoda saatberoperasi [1, 5], sehingga pemakaian anodayang mempunyai porositas dengan kekuatanlentur yang tinggi sangat dominan.

Pada gambar 5 memberikan ilustrasitentang hubungan porositas dan sifatkelistrikan. Sifat kelistrikan yang diukuradalah impedance pada suhu kamar.Impedance yang diukur hanya dua kondisiyang memiliki porositas yang berbeda.

Gambar 5. Hubungan antara porositas anodadan impedance anoda yang dilakukan padasuhu kamar.

Gambar 5 menunjukkan bahwa hargaimpedance diambil pada frequensi yang nilai0, sehingga nilai yang ada adalah hambatan.Terlihat bahwa nilai hambatan yang memilikiporositas yang tinggi mempunyai nilaihambatan yang lebih besar dibandingkan yangmempunyai porositas yang rendah. Simwonis[19] menjelaskan bahwa porositas yang relatiftinggi, ikatan antar partikel tidak begitu rapatsehingga daya hantar listriknya semakin sulitdibandingkan dengan partikel yang rapat.Porositas yang rendah mempunyai rantaiikatan yang rapat sehingga mempunyai dayahantar listrik yang mudah. Ji [20] juga telahmembuktikan bahwa porositas yang rendahmempunyai sifat listrik yang lebih baik,terutama sifat konduktifitas listriknya lebih

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

tinggi pada porositas yang relatif kecil.Peneliti lain juga membuktikan bahwaporositas yang kecil mempunyai konduktifitasyang lebih tinggi dibandingkan ddengananoda yang porositasnya lebih tinggi [9].Hasil eksperiemn yang diperoleh pada gambar5 memberikan informasi bahwa porositasyang tinggi mempunyai impedance listrikyang lebih tinggi dibanding dengan anodayang memiliki porositas yang rendah.

Kesimpulan

Dari pembahasan tentang pengaruhporositas pada material anoda dapat diambilkesimpulan sebagai berikut.

1. Pengontrolan porositas anoda SOFC dapatdilakukan dengan menambahkan pembentukpori (pore former), proses sintering dan bebankompaksi.2. Suhu sintering semakin tinggi pada prosesperlakuan panas anoda SOFC dapatmenurunkan porositas anoda. Demikian jugabeban kompaksi yang tinggi mampumenurunkan porositas anoda.3. Beban lentur (bending strength) anodasangat dipengaruhi nilai porositasnya.Porositas rendah diperoleh bending strengthyang tinggi.4. Porositas yang tinggi berpengaruh padanilai impedance listrik. Nilai porositas anodayang tinggi menghasilkan impedance listrikyang tinggi.5. Pengontrolan porositas pada anoda sangatmenentukan sifat kelistrikan dan bebanlenturnya.

Saran

Hasil yang diperoleh dari pembahasan iniperlu diberikan saran sebagai berikut.

1. Perlu mengkaji yang lebih dalam nilaiporositas anoda dengan melakukan evaluasiukuran dan distribusi yang terjadi dalammaterial anoda.2. Diperlukan optimasi untuk mencari nilaioptimum dari anoda SOFC yang mempunyai

nilai kelistrikan yang tertinggi dengan nilaiporositas tertentu.3. Diperlukan proses yang lain sebagaipembanding untuk memperoleh Anodesupported SOFC yang dapat digunakan untukmenghasilkan prototipe Anode supportedSOFC yang lengkap dengan elektrolit dankatoda.

Referensi[1] Wolf Vielstich, H.Y., Hubert A

Gasteiger, Handbook of Fuel CellsFundamentals Technology andApplications2009, Chichester, WestSussex, United Kingdom: John Wiley &Sons.

[2] Li, X., Principles of Fuel Cells2006,Madison Avenue, New York, USA:Taylor & Francis Group.

[3] Shabana P.S. Shaikh , A.M., MahendraR. Somalur, A Review on the Selectionof Anode Materials for Solid-Oxide FuelCells. Renewable and Sustainable EnergyReviews, 2015. 51: p. 1-8.

[4] Fergus, J.W., Oxide anode materials forsolid oxide fuel cells. Solid State Ionic,2006. 177: p. 1529-1541.

[5] Keegan C. Wincewicz, J.S.C.,Taxonomies of SOFC material andmanufacturing alternatives. Journal ofPower Sources, 2005. 140: p. 280-296.

[6] Stimming, C.S.a.U., Review RecentAnode Advances in Solid Oxide FuelCells. Journal of Power Sources, 2007.171: p. 247-260.

[7] Sglavo, M.C.a.V.M., Influence ofProcessing Conditions on theMicrostructure of NiO-YSZ SupportingAnode for Solid Oxide Fuel Cells.Ceramics International, 2015. 41: p.2543-2557.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-59

[8] Thomaz Augusto Guisard Restivo ,S.R.H.M.-C., Sintering studies on Ni–Cu–YSZ SOFC anode cermet processedby mechanical alloying. Journal ofThermal Analysis and Calorimetry,Springer, 2009. 97: p. 775–780.

[9] Liu, Z.C.a.J.-H.W.a.M., Anodes,inJeffrey W. Fergus (Ed.)Green Chemistryand Chemical Engineering Solid OxideFuel Cells Materials Properties andPerformance2009, Boca Raton, USA:CRC Press Taylor & Francis Group.

[10]S.Sulistyo , S.A., S.MahzanManufacturing of Electrolyte andCathode Layers SOFC UsingAtmospheric Spraying Method and ItsCharacterization. International Journalof Science and Engineering 2013. 4(1): p.30-33.

[11]Ryan P. O'Hayre, S.-W.C., WhitneyColella, Fritz B. Prinz, Fuel CellFundamentals2006, United State ofAmerica: John Wiley & Sons, Inc.

[12]Rym Dhouib Sahnoun, S.B.,Characterization of Flat CeramicMembrane Supports Prepared withKaolin-Phosphoric Acid-Starch. AppliedClay Science 2013. 83-84: p. 399-404.

[13]Eva Gregorov´a , W.P., Ivan Bohaˇcenko,Characterization of different starch typesfor their application in ceramicprocessing. Journal of the EuropeanCeramic Society 2006. 26: p. 1301-1309.

[14]H. Weckmann, A.S., Z. Ilhan, and J.Arnold, Development of Porous AnodeLayers for the Solid Oxide Fuel Cell byPlasma Spraying. Journal of ThermalSpray Technology, 2006. 15(4): p. 604-609.

[15]Eva Gregorov´a , W.P., Porosity and poresize control in starch consolidationcasting of oxide ceramics—Achievements and problems. Journal ofthe European Ceramic Society 2007. 27:p. 669–672.

[16]Rahaman, M.N., CeramicProcessing2007, Boca Raton, Florida,USA: CRC Press Taylor & FrancisGroup.

[17]Rahaman, M.N., Sintering ofCeramics2008, Boca raton, Florida, USA:CRC Press Taylor & Francis Group.

[18]Barsoum, M., Materials Science andEngineering Series, Fundamentals ofCeramics1997, United States of America:McGraw-Hill Companies.

[19]D. Simwonis , H.T., F.J. Dias, A.Naoumidis, D. StoÈver, Properties ofNi/YSZ porous cermets for SOFC anodesubstrates prepared by tape casting andcoat-mix process. Journal of MaterialsProcessing Technology, 1999 92-93: p.107 -111.

[20]Ji Haeng Yu , G.W.P., Shiwoo Lee, SangKuk Woo, Microstructural effects on theelectrical and mechanical properties ofNi–YSZ cermet for SOFC anode. Journalof Power Sources 2007. 163: p. 926–932.