Sel Bahan Bakar Padatan Oksida (SOFC)

9:37 PM Research 2 Comments

Sel bahan bakar oksida pertama kali terpikirkan setelah ditemukannya elektrolit padatan oksida oleh Nerst pada tahun 1899. Pada tahun 1905, Haber mengeluarkan paten mengenai sel bahan bakar dengan suatu elektrolit berupa padatan yakni sejenis gelas dan porslein, sedangkan material elektroda yang digunakan adalah logam platinum dan logam emas. Pada tahun 1916, Baur dan Treadwell mengeluarkan paten mengenai sel bahan bakar dengan oksida logam sebagai elektroda dan padatan keramik dengan lelehan garam diporinya sebagai elektrolit. Tahun 1935, Schottky menyatakan bahwa zirkonia terstabilkan itria (yttria stabilized zirconia, YSZ) dapat digunakan sebagai elektrolit sel bahan bakar padatan. Tahun 1943, Wagner memperkenalkan kehadiran kekosongan (vacancy) pada subkisi anion dalam campuran padatan oksida dan sekaligus menjelaskan mekanisme konduksi yang terjadi pada Nernst Glowers. Wagner memberikan nama untuk material tersebut sebagai konduktor ion oksida. Baur dan Preis berikutnya mendemonstrasikan sel bahan bakar padatan oksida (solid oxide fuel cell, SOFC) dengan menggunakan YSZ sebagai elektrolit dan ternyata sel ini berjalan dengan baik pada suhu 1000oC. Malangnya, suhu operasional yang tinggi menimbulkan masalah yang serius terhadap material penyusunnya. Sejak tahun 1960 hingga kini, sejumlah paten telah dihasilkan berkaitan dengan pengembangan teknologi SOFC [Ormerod, R.M., 2002].

SOFC seperti layaknya fuel cell yang lainnya yaitu terdiri dari tiga komponen utama adalah anoda, elektrolit, dan katoda. Pada anoda terjadi reaksi oksidasi bahan bakar yaitu hidrogen, CO, atau CH4. 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 hasi reduksi kemudian mengalir melalui komponen elektrolit untuk bereaksi dengan ion positif atau molekul bahan bakar di anoda untuk menghasilkan air dan/atau CO2. Agar ion oksida dapat bergerak dalam material elektrolit dan reaksi katalitik berlangsung dengan cepat maka dibutuhkan suhu operasional yang sangat tinggi[2,4,5]. Adapun persamaan reaksi dari reaksi – reaksi yang terjadi pada anoda maupun katoda adalah sebagai berikut:

Katoda : ½O2 + 2e- → O2-

Anoda : H2 → 2H+ + 2e- atau

CO + O2- → CO2 + 2e- atau

CH4 + 4O2- → CO2 + 2H2O + 8e-

Namun demikian, penggunaan suhu operasional yang sangat tinggi yaitu di rentang 850-1000oC seringkali menyebabkan degradasi atau reaksi antar komponen dalam SOFC yang mengakibatkan menurunnya tegangan sel dan daya luaran sel[5,6]. Dewasa ini, pengembangan teknologi SOFC lebih difokuskan terhadap pencarian kombinasi baru antara elektoda dan elektrolit sehingga dapat menghasilkan SOFC dengan efisiensi tinggi meskipun suhu operasional berada di rentang suhu intermediet (500 - 650oC), Intermediate Temperature - 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[5]. 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[5].

Tantangan riset saat ini dalam pengembangan IT-SOFC yaitu pencarian kombinasi baru antara elekrolit 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[5,6,7].