Fuel Cell
Fuel Cell merupakan suatu piranti elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung dengan adanya pasokan bahan bakar (hidrogen) dan zat oksidan (oksigen dari luar) yang dipompakan ke dalam sel (Winter, M. dan Brodd, R.J., 2004). Sel bahan bakar serupa dengan mesin pembakar
(combustion
engine) engine) yakni
memerlukan
bahan
bakar
untuk
menjalankannya, namun serupa juga dengan baterai dimana mampu mengubah energi kimia menjadi listrik secara langsung tanpa melalui proses pembakaran. Pengubahan energi secara langsung tersebut yakni tanpa melalui proses pembakaran dapat meningkatkan efisiensi konversi dari sel (Brett, D.J.L., et al, 2008). Secara umum, sel bahan bakar terdiri dari dua komponen penting yakni elektroda (katoda dan anoda) dan elektrolit. Susunan dari sel bahan bakar mirip halnya dengan roti lapis (sandwich), (sandwich), dimana kedua elektroda mengapit elektrolit yang kemudian bahan bakar dialirkan di atas permukaan anoda, sedangkan oksigen dialirkan di atas permukaan katoda. Bahan bakar yang digunakan untuk sel bahan bakar umumnya adalah gas hidrogen (H2). Adapun beberapa jenis sel bahan bakar yang dapat menggunakan metanol (CH3OH), CO, maupun hidrokarbon seperti metana (CH4). Berdasarkan suhu operasinya, sel bahan bakar terbagi ke dalam dua jenis yaitu sel bahan bakar suhu rendah yang beroperasi pada suhu dibawah 300 oC dan sel bahan bakar suhu tinggi yang beroperasi pada suhu dibawah 300 oC. Gambar dibawah ini merangkum keenam jenis sel bahan bakar tersebut dan juga perbedaannya (Winter, M. dan Brodd, Brodd, R.J., 2004).
Setiap jenis sel bahan bakar memiliki keunggulan dan kelemahan. Contoh PEMFC memiliki keunggulan dimana efisiensi yang diperoleh cukup tinggi pada temperatur
pengoperasian
yang
rendah
namun
PEMFC
mudah
sekali
terkontaminasi oleh pengontrol CO dalam bahan bakar. Sedangkan SOFC, SOFC di operasikan pada suhu yang tinggi yang menyebabkan SOFC dapat menggunakan sejumlah bahan bakar dari mulai hidrogen hingga hidrokarbon. Suhu yang tinggi menyebabkan SOFC mudah mengalami reaksi antar komponen yang tidak diharapkan yang dapat menurunkan efisiensi dari sel. Fuel cell mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polimer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja. Hidrogem dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran, maka gas hidrogen tidak akan tercampur dengan oksigen. Membran dilapisi oleh platina tipis yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. Proton mengalir melalui membran, sedang elektron tidak dapat menembus membran, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion positif. Apabila anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar listrik, maka akan terjadi pengaliran elektron dari anoda ke katoda, sehingga terdapat arus listrik. Elektron yang mengalir ke katoda akan bereaksi dengan proton dan oksigen pada sisi katoda dan membentuk air.
Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell, Anoda : 2H2 4H+ + 4eKatoda : 4e- + 4H+ + O2 2H2O Jenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton.
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Gambar reaksi solid oxide fuel cell
Solid Oxide Fuel Cell adalah suatu jenis perangkat elektrokimia yang menggunakan bahan bakar oksida padat yang dapat mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik secara langsung sehingga lebih efisien dan bahan bakarnya bebas dari polusi. Sama seperti jenis fuel cell yang lain, SOFC membutuhkan bahan bakar berupa hidrogen, reaktan pengoksidasi berupa oksigen untuk bereaksi secara elektrokimia pada temperatur tinggi dan menghasilkan energi listrik. SOFC sangat berguna karena kemungkinannya untuk menggunakan jenis bahan bakar yang beragam. Tidak seperti jenis-jenis fuel cell yang hanya menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, SOFC bisa berfungsi dengan hidrogen, butana, metanol, dan produk minyak bumi lainnya. SOFC seperti layaknya fuel cell yang lainnya yaitu terdiri dari tiga komponen utama yaitu anoda, elektrolit, dan katoda. Pada anoda terjadi reaksi oksidasi bahan bakar yaitu hidrogen, CO, atau CH 4. Elektron yang dilepaskan di anoda kemudian dialirkan melalui sirkuit luar untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Elektron tersebut kemudian masuk ke katoda, sehingga di katoda terjadi reaksi reduksi zat oksidan yaitu oksigen. Ion oksida hasil reduksi kemudian mengalir melalui komponen elektrolit untuk bereaksi dengan ion positif atau molekul bahan bakar di anoda untuk menghasilkan air dan/atau CO 2. Agar ion oksida dapat bergerak dalam material elektrolit dan reaksi katalitik berlangsung dengan cepat maka dibutuhkan suhu operasional yang sangat tinggi. Adapun persamaan reaksi dari reaksi-reaksi yang terjadi pada anoda maupun katoda adalah sebagai berikut : Katoda : 1/2 O2 + 2e-
O2 -
2H+ + 2e- , atau
Anoda : H2 CO + O2
CO2 + 2e- , atau
CH4 + 4O2-
CO2 + 2H2O + 8e-
Gambar skema reaksi elektrokimia sofc Pada katoda, terjadi reaksi reduksi oksigen yang berlangsung dengan reaksi sebagai berikut : O2 + 4e-
2O2- (1)
Struktur elektrolit yang padat tidak memperbolehkan bagian dari gas pada katoda untuk lewat, sementara konduktivitas ionik dan resistansi elektrik yang tinggi hanya memperbolehkan ion O 2- untuk bermigrasi dari katoda ke anoda. Pada anoda, O2- bereaksi dengan hidrogen menghasilkan air : H2 + O2- → H2O + 2e- (2) Selama reaksi (2) terjadi, elektron dilepaskan pada anoda dan bermigrasi dari katoda melalui sirkuit elektrik eksternal yang menghasilkan arus listrik. Reaksi keseluruhan yang terjadi di dalam sel adalah sebagai brikut. 1
H2 + O2 → H2O 2
(3)
Tabel
Komponen-komponen utama SOFC (Sammes, N. M.,2006)
Komponen
Material
Fungsi Ni/YSZ
membuat
memiliki Anoda
Ni/YSZ cermet
anoda
konduktivitas
elektrik
yang
tinggi
dan
menyebabkan anoda dapat menyangga
keseluruhan
struktur sel. Katoda
memberikan
ekspansi termal yang baik antara elektrolit dan katoda, Katoda
Sr xLa1-xMnO3-δ
juga
memiliki
kecocokan
kimia yang baik baik tanpa menurunkan
performansi
katoda. Interconnect
menyediakan
kontak elektrik antara anoda, katoda
dan
sel
elektrolit
dengan unit SOFC lain pada Interconnect
Doped lanthanum dan
suhu
yttrium kromit
harus
stack.
Interconnect
100%
bersifat
konduktor konduktivitas
dengan elektronik
yang tinggi. Seals
Glass ceramic
Seal harus cocok dengan elektrolit,
katoda
dan
interconnect untuk menjaga ekspansi termal yang terjadi.
Seal penjaga
bertugas masuk
sebagai dan
keluarnya H2 sebagai fuel.
Namun demikian, penggunaan suhu operasional yang sangat tinggi yaitu di rentang 850-1000 oC
seringkali menyebabkan degradasi atau reaksi antar
komponen dalam SOFC yang mengakibatkan menurunnya tegangan sel dan daya luaran sel. Sekarang ini, pengembangan teknologi SOFC lebih difokuskan terhadap pencarian kombinasi baru antara elektroda dan elektrolit sehingga dapat menghasilkan SOFC dengan efisiensi tinggi meskipun suhu operasional berada di rentang suhu intermediet (500-650 oC), Intermediate Temperatur – Solid Oxide Fuel Cell (IT-SOFC). Menurunkan suhu operasi SOFC memberikan suatu dampak yang signifikan terhadap harga produksi SOFC yaitu dengan penggunaan material yang lebih murah untuk material interkoneksi dan material penukar panas. Suhu rendah juga menyebabkan suatu peningkatan dalam ketahanan sistem SOFC dengan cara mereduksi masalah-masalah yang berhubungan dengan perputaran panas dan degradasi yang disebabkan oleh interdifusi atau reaksi antar komponen itu sendiri. Namun demikian, pengoperasian pada suhu rendah memunculkan beberapa masalah material yang berhubungan dengan peningkatan resistansi elektrolit dan penurunan laju reaksi katalitik (polarisasi elektroda). Kedua faktor tersebut mengakibatkan penurunan tegangan dari sel dan daya luaran dari sel. Tantangan riset saat ini dalam pengembangan IT-SOFC yaitu pencarian kombinasi baru antara elektrolit dan elektroda yang dapat mereduksi masalah peningkatan resistansi elektrolit dan penurunan laju reaksi katalitik. Disamping itu, pencarian material yang menyediakan transport ion cepat dalam elektrolit dan antarmuka elektrolit dengan kedua elektroda serta material yang efisien dalam reaksi elektrokatalisis reduksi oksigen dan oksidasi bahan bakar meskipun suhu operasional berada di rentang intermediet menjadi suatu tantangan tersendiri dari riset di wilayah ini.
Gadolinium
Gadolinium adalah suatu unsur kimia dengan simbol Gd dan nomor atom 64. Ini adalah putih keperakan dan mudah dibentuk. Hal ini ditemukan di alam hanya dalam gabungan (garam) bentuk. Gadolinium pertama kali terdeteksi spectroscopically pada tahun 1880 oleh de Marignac yang dipisahkan oksida dan dikreditkan dengan penemuannya. Ini adalah nama untuk gadolinit, salah satu mineral yang ditemukan, pada gilirannya dinamai kimiawan Johan Gadolin. Logam ini diisolasi oleh Paul Emile Lecoq de Boisbaudran pada tahun 1886. Gadolinium logam memiliki sifat metalurgi yang tidak biasa, sampai 1% gadolinium secara signifikan dapat meningkatkan kemungkinan untuk dilakukan dan ketahan terhadap oksidasi suhu tinggi zat besi, kromium, dan paduan terkait. Gadolinium ini mengkristal dalam heksagonal, dekat-dikemas α-bentuk pada suhu kamar, namun ketika dipanaskan sampai suhu di atas 1235
o
C, itu berubah
menjadi β-bentuk, yang memiliki struktur kubus berpusat badan. Gadolinium sebagai logam atau garam memiliki daya serap yang sangat tinggi dari neutron dan karena itu digunakan untuk melindungi dalam radiografi neutron dan dalam reaktor nuklir. Seperti kebanyakan tanah jarang, gadolinium membentuk ion trivalen dengan sifat fluorescent. Gadolinium (III) garam karena itu telah digunakan sebagai fosfor hijau berbagai aplikasi. Tabel Gadolinium
Unsur
Lambang
Nomor Atom
Gadolinium
Gd
Gadolinium
Asal Mula Dinamai Johan
dari
Kegunaan Magnet
Gadolin jarang,
(1760-1852),
kaca
sebagai
indeks
persembahan
tinggi
atas dedikasinya garnet, pada
logam X-ray,
tanah laser, dengan refraktif atau tabung memori
tanah jarang.
komputer, penangkap neutron,
agen
relaksasi NMR.
Cerium
Cerium merupakan logam tanah jarang yang menunjukkan 3 bilangan oksidasi, yaitu +2, +3, dan +4. Nilai +2 termasuk jarang dan ditemukan dalam CeH, Cel, CeS. Cerium bersifat ulet, perak-putih unsur kimia logam dengan simbol Ce dan nomor atom 58. Ini adalah elemen kedua dalam seri lantanida, dan sementara itu sering menunjukan karakteristik ke 3 pada keadaaan seri, elemen itu juga dimiliki 4 negara yang stabil dan tidak teroksidasi air. Hal ini juga dianggap sebagai salah satu unsur tanah jarang. Cerium tidak memiliki peran biologis, tetapi bersifat beracun. Cerium adalah unsur yang paling umum dari lantanida, diikuti oleh neodymium, lanthanum, dan praseodymium. Ini adalah unsur yang paling berlimpah 26, membuat naik 66 ppm kerak bumi, setengahnya sebanyak klorin dan sebanyak lima kali memimpin. Meskipun selalu ditemukan dalam kombinasi dengan unsur tanah jarang lainnya di mineral seperti monasit dan bastnasit, cerium mudah untuk mengekstrak dari bijih, karena dapat dibedakan antara lantanida dengan kemampuan untuk dioksidasi ke 4 negara. Cerium ditemukan di Bastnas, Swedia oleh Jons Jakob Berzelius dan Wilhelm Hisinger pada tahun 1803, dan secara independen oleh Martin Heinrich Klaproth di Jerman, itu adalah yang pertama kalinya dari lantanida ditemukan. Cerium dan senyawanya memiliki berbagai kegunaan: misalnya, cerium (IV) oksida digunakan untuk kaca polish dan merupakan bagian penting dari catalytic
converter. Logam cerium digunakan dalam korek api ferrocerium untuk sifat piroforiknya. Tabel Cerium
Unsur
Lambang Nomor
Asal Mula
Kegunaan
Diambil dari
Agen oksidasi kimia, bubuk
nama
pemoles, pewarna kuning pada
salah satu
kaca dan keramik, katalis untuk
planet kata
oven “self -cleaning” katalis
Atom Cerium Ce
58
Ceres, dari
“cracking ” katalitik cairan pada
nama Dewi
kilang minyak, feroserium.
Pertanian Romawi
Elektrolit berbasis cerium adalah bahan terbaik untuk elektrolit pada temperatur sedang (600-800 oC) (Fuentes & Baker, 2008). Dopan aliovalen seperti Yb2O3, Gd2O3, La2O3 dan Sc2O3 bereaksi dengan CeO2 dan membentuk vakansi (kekosongan) pada kisi kristal sehingga memudahkan ion oksigen dari CeO 2 untuk berpindah. Maka, Gd 3+ akan dengan mudah berikatan dengan Ce 3+. Vakansi ion memiliki peran penting terhadap konduktivitas ionik pada elektrolit berbasis cerium (Sorrel, 2005). Gadolinium doped cerium (GDC) dianggap menjadi salah satu elektrolit padat berbasis cerium yang paling baik (Wang, et al ., 2000). Strategi untuk menambahkan dopan (co-doped ) menunjukan hasil konduktivitas yang lebih baik dari pada sel elektrolit single-doped. Co-doped material dapat mengurutkan vakansi oksigen menjadi lebih teratur sehingga memudahkan loncatan ion oksigen dan meningkatkan konduktivitas ionik. Seperti pada penelitian Hardian, et al., 2014 untuk meningkatkan konduktivitas ionik pada gadolinium doped cerium (GDC), digunakan dopan kedua.
Karakteristik Kimia Cerium
Cerium memiliki elektro positif dan bereaksi lambat dengan air dingin, namun bereaksi cukup cepat dengan air panas sehingga membentuk cerium hidroksida. 2Ce (s) + 6H 2O → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3H2 (g) Logam Cerium bereaksi dengan semua halogen, seperti : 2Ce (s) + 3F2 (g) → 2CeFe3 (s) untuk Ce+3 2Ce (s) + 3Cl2 (g) → 2CeCl3 (s) untuk Ce+3 2Ce (s) + 3Br 2 (g) → 2CeBr 3 (s) untuk Ce+3 2Ce (s) + 4KIO 3 (g) → Ce(IO3)4 (s) untuk Ce+4 2Ce (s) + 3I2 (g) → 2CeI 3 (s) untuk Ce+3
Cerium larut dalam asam sulfat membentuk larutan yang mengandung ion-ion Ce (III) yang tidak berwarna, yang terdapat dalam bentuk kompleks [Ce(OH)],
