Aplikasi Keramik Maju: Fuel Cell/Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Pengembangan solid oxide fuel cell (SOFC) sebagai sumber masa depan untuk energi bebas polutan bersih adalah terobosan utama dalam industri energi. SOFC dapat menghasilkan listrik dan panas pada efisiensi tinggi dengan tingkat emisi CO2 yang lebih rendah dan mengurangi polusi dari produk pembakaran seperti NOx dan SOx. SOFC memiliki beberapa keunggulan dibandingkan jenis sel bahan bakar lainnya, misalnya suhu operasi yang tinggi memungkinkan fleksibilitas dalam jenis bahan bakar yang dapat digunakan. SOFC menggunakan konduktivitas ionik cepat dari O2^2- atau proton, yang memungkinkan transportasi muatan melintasi elektrolit/membran oksida padat, sehingga menghasilkan energi listrik. Reaksi oksidasi dan reduksi terjadi di kedua sisi membran oksida padat/elektrolit melalui konsumsi O2 dan bahan bakar (H2 atau hidrokarbon). Pada sisi anoda (elektroda bahan bakar), bahan bakar gas dioksidasi sesuai dengan persamaan: 2H2(g) + 2O^2- --> 2H2O + 4e-. Elektron lalu mengalir melalui rangkaian listrik eksternal. Di sisi katoda, oksigen bereaksi dengan elektron yang masuk dan ion O^2- akan terbentuk: O2(g) + 4e- --> 2O^2-. Ion oksigen akan bermigrasi melalui elektrolit dan bergabung dengan hidrogen pada sisi anoda.
image

  • Katoda

Jenis katoda yang digunakan umumnya adalah oksida tipe perovskite dengan rumus umum ABO3. Lanthanum manganites (LaMnO3: LSM) merupakan keramik yang paling umum digunakan untuk katoda SOFC suhu tinggi karena kompatibilitasnya dengan elektrolit ZrO2/Y2O3 (YSZ). LSM dapat didoping dengan kation seperti Sr2+ atau Ca2+ untuk meningkatkan konsentrasi electron-hole dan juga meningkatkan konduktivitas listrik dari material elektroda. Di bawah temperatur 800°C, LaSrMnO3 menunjukkan aktivitas katalitik yang cukup buruk untuk reduksi oksigen dan konduktivitas elektroniknya berkurang secara signifikan, sehingga material katoda SOFC baru dikembangkan untuk operasi suhu menengah. Contohnya yaitu substitusi Mn oleh Co atau Fe yang akan menghasilkan katoda dengan konduktivitas elektronik dan ionik yang tinggi dan aktivitas katalitik yang sangat baik untuk reduksi oksigen pada suhu menengah.

  • Anoda

Komposit ( cermet ) Ni/YSZ adalah material anoda yang paling umum untuk SOFC yang menerapkan hidrogen sebagai bahan bakar. Alasannya adalah karena biayanya yang rendah, stabilitas kimianya, dan koefisien ekspansi termalnya yang mendekati elektrolit YSZ. Aktivitas katalitik Ni yang tinggi untuk pemecahan ikatan H-H dan biayanya yang relatif rendah merupakan alasan penggunaan Ni. Konduktivitas cermet terjadi melalui dua mekanisme: ionik (melalui fasa YSZ) dan elektronik (melalui fasa nikel logam).

  • Elektrolit

Elektrolit keramik yang digunakan memiliki sifat khusus yang memungkinkan konduktivitas ionik, biasanya yttria-stabilized zirconia (YSZ bentuk kubik). SOFC standar beroperasi pada suhu sekitar 900-1000 C, namun karena suhu tinggi ini maka akan menghasilkan kendala yang cukup besar pada material (misalnya LaCrO3 mengalami degradasi selama operasi jangka panjang). Dengan demikian, beberapa perkembangan baru-baru ini berfokus pada elektrolit baru (seperti Ce(Gd)O^2-x atau La(Sr)GaO3) yang dapat mempertahankan konduktivitas ionik yang cukup tinggi di bawah pengoperasiannya pada suhu 800 C. Temperatur operasi yang lebih rendah juga memungkinkan penerapan konsep sel lain, bersama dengan proses fabrikasi yang ditingkatkan akan memiliki potensi yang signifikan untuk mengurangi biaya fabrikasi SOFC.

Referensi:

  • Taroco, H. A., Santos, J. A., Domingues, R. Z., & Matencio, T. (2011). Ceramic Materials for Solid Oxide Fuel Cells . INTECH Open Access Publisher.
  • Mod-12 Lec-28 Solid Oxide Fuel Cell - YouTube. (n.d.). Retrieved May 16, 2020, from https://www.youtube.com/watch?v=OTdnvk-h3cE