BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi merupakan hal yang sangat penting dan dibutuhkan oleh setiap manusia di dunia terutama energi listrik. Dewasa ini kebutuhan energi yang semakin meningkat tidak disertai dengan ketersediaannya. Oleh karena itu dibutuhkan penghasil energi baru yang memiliki efisiensi tinggi dan ramah lingkungan. Salah satu penghasil energi yang memenuhi kriteria efisiensi tinggi dan ramah lingkungan adalah fuel cell.
Fuel cell merupakan piranti yang berfungsi sebagai pengkonversi energi
yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung tanpa pembakar eksternal (Boudghene Stambouli, 2002). Keunggulan fuel cell adalah pengoperasiannya tanpa pembakar eksternal yang dapat mengeliminasi emisi gas- gas yang berbahaya bagi lingkungan seperti gas CO dan gas penyebab global warming CO2. Fuel cell terbagi menjadi beberapa jenis, namun yang menjadi perhatian saat ini adalah SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells) karena memiliki beberapa keunggulan yaitu (Boudghene Stambouli, 2002) :
a. Merupakan sel bahan bakar yang paling efisien dan dikembangkan diseluruh dunia.
b. SOFC menggunakan gas-gas yang ada di alam.
c. Teknologi SOFC paling cocok diaplikasikan dalam pendistribusian energi karena efisiensinya yang tinggi.
d. Pengoperasian SOFC pada temperatur tinggi menghasilkan panas dengan kualitas tinggi yang dapat digunakan untuk co-generation atau dikombinasikan dengan aplikasi bersiklus
e. Tidak memiliki masalah dengan pengelolaan elektrolit seperti elektrolit cair yang bersifat korosif dan sangat sulit ditangani
f. Menghasilkan emisi yang sangat rendah dengan mengeliminasi gas CO yang berbahaya , CO dihasilkan dari konversi CO2 pada temperatur tinggi.
Emisi yang dihasilkan murni hanya H2O jika gas bahan bakar yang digunakan murni gas H2.
g. Memiliki potensial umur yang panjang yaitu diharapkan lebih dari 40000- 80000 jam (C. Singhal, 2007)
SOFCs dioperasikan pada suhu yang relatif tinggi yaitu pada suhu 9000C- 10000C (C. Singhal, 2007). Suhu ini masih terlalu tinggi karena pada suhu ini bahan SOFC mudah sekali rusak sehingga umur SOFC menjadi lebih pendek (Gustaman Syarief, 2012). Selain itu pemilihan suhu operasi juga dibatasi oleh material interkoneksi. Logam sering digunakan sebagai interkoneksi karena interkoneksi harus murni bersifat konduktor elektronik. Pada suhu tinggi, interkoneksi akan mudah rusak karena terjadinya korosi atau oksidasi pada suhu tinggi (C. Singhal, 2007). Oleh karena itu pengoperasian SOFCs pada suhu yang lebih rendah terutama suhu pertengahan dan suhu rendah terus dikembangkan.
Pengembangan SOFC terus dilakukan dan pengoperasian SOFC menuntut beberapa syarat yaitu, kesesuaian sifat fisis dan kimia antar komponen-komponen SOFCs, kemudahan mengelola suhu, dapat membantu dalam memulai proses dan memberhentikan proses, dan meminimalkan kerusakaan sel dan komponen lainnya (C. Singhal, 2007). Namun masalah yang dihadapi pengoperasian SOFCs pada suhu pertengahan dan suhu rendah adalah konduktivitas elektrolit dan elektroda yang menurun sehingga dibutuhkan materal alternatif yang memiliki konduktivitas tinggi pada suhu rendah (Subhash C Singhal, 2007). SOFCs memiliki efisiensi energi dalam rentang 40%-60% namun karena pengoperasiannya di suhu tinggi, panas yang dihasilkan dapat digunakan untuk proses bersiklus lainnya seperti memutar turbin sehingga efisiensinya dapat mencapai 70% (C. Singhal, 2000).
Penelitian dan pengembangan terhadap sumber energi alternatif yang menjanjikan ini terus ditingkatkan. Penggunaan material lebih luas terus dilakukan untuk mencari SOFCs yang dapat beroperasi pada suhu pertengahan dan suhu rendah. SOFCs memiliki beberapa komponen diantaranya dua elektroda (katode dan anoda) dan elektrolit. Ketiga komponen tersebut memiliki karakteristik masing-masing dan dibuat dari material yang berbeda-beda namun dapat dipadukan dengan memenuhi syarat-syarat tertentu seperti kesesuaian sifat fisis dan kimia seperti koefisiensi ekspansi termal yang mirip. Untuk mencari SOFCs yang dapat beroperasi dengan baik pada suhu pertengahan dan suhu rendah, maka penelitian harus dilakukan pada semua komponen termasuk elekroda karena untuk mendapatkan SOFC yang optimal maka semua komponen
harus menunjukkan kinerja yang optimal. Dari penelitian yang sudah dilakukan, peningkatan kinerja katode merupakan tantangan yang cukup sulit karena over potential yang lebih besar (Ralpz, 2011).
Lanthanum Strontium Manganite (La1-xSrxMnO3) merupakan material konvensional yang sudah banyak digunakan sebagai katode dan memiliki konduktivitas elektronik yang baik. Namun LSM dapat menunjukkan kinerja yang baik pada suhu tinggi. Salah satu cara untuk mendapatkan katode yang dapat bekerja pada suhu yang lebih rendah adalah dengan mencari material baru yang lebih baik dari pada LSM seperti LaxSr1-xFeyCo1-yO3 atau katode komposit LSM- YSZ (Lanthanum Strontium Manganite-Yttria Stabilized Zirconia) (Piao, 2008).
Katode komposit dibuat dari campuran material katode dan elektrolit. Secara umum telah diterima bahwa performa elektrokimia katode SOFC dapat ditingkatkan dengan mencampur material katode dengan material elektrolit untuk meningkatkan three-phase-boundaries(TPB)(Piao, 2008). Penambahan YSZ yang memiliki konduktivitas ionik yang baik pada LSM akan meningkatkan konduktivitas ionik katode namun menurunkan konduktivitas elektroniknya.
Katode LSM-YSZ memiliki konduktivitas elektronik yang tinggi pada temperatur tinggi yaitu >8000C. Katode harus memiliki konduktivitas elektronik dan ionik yang baik.
Untuk mendapatkan material katode yang memiliki performa yang lebih baik dan konduktivitas elektronik tinggi pada suhu rendah, material baru yang mendukung hal tersebut terus dicari termasuk yang akan dilakukan dalam penelitian ini yaitu penambahan GDC (Gadolinia doped ceria) pada material
komposit LSM-YSZ. GDC memiliki konduktivitas ionik dan elektronik yang lebih baik dari YSZ (D. Jadhav et al, 2007). Konduktivitas elektronik GDC yang lebih baik dari YSZ diharapkan mampu memperbaiki konduktivitas elektronik dari katoda LSM-YSZ-GDC dimana konduktivitas elektronik yang baik merupakan salah satu syarat yang dibutuhkan oleh material katode karena fungsi utama katode adalah menghantarkan elektron eksternal ke Three Phase Boundaries . Oleh karena itu penambahan GDC yang memiliki konduktivitas
ionik dan elektronik yang baik selain dapat memperbaiki reaksi elektrokimia LSM-YSZ, juga diduga akan meningkatkan konduktivitas elektronik katode sehingga diharapkan katode LSM-YSZ-GDC memiliki konduktivitas elektronik dan performa yang lebih baik pada suhu lebih rendah dari katode LSM-YSZ. Pada penelitian ini difokuskan pada peningkatan konduktivitas elektronik katode pada suhu yang lebih rendah dari suhu operasional katode LSM-YSZ konvensional.
Jadi, dalam penelitian ini, dibuat material katode SOFC baru yaitu LSM-YSZ- GDC dengan tujuan untuk mengetahui apakah konduktivitas elektronik variasi komposisi LSM-YSZ-GDC sama atau lebih tinggi pada suhu 600oC dari katode konvensional LSM-YSZ yang bekerja pada suhu 1000oC. Suhu 600oC merupakan suhu yang termasuk dalam suhu pertengahan (500oC-800oC) namun dekat dengan suhu rendah (<500oC). Selain itu konduktivitas elektronik GDC muncul pada suhu 600oC ke atas. Selama ini, sasaran akhir penelitian SOFC adalah mencari katode SOFC yang dapat beroperasi pada suhu rendah, oleh karena itu penelitian ini difokuskan pada konduktivitas elektronik katode pada suhu 600oC.
Dalam penelitian dibuat keramik film tebal yang dapat diaplikasikan dalam SOFC berjenis electrolyte supported cell. Sehingga pada penelitian ini tidak dilakukan karakteriasasi sifat mekanik dan difokuskan pada konduktivitas elektronik katode.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian pada latar belakang diatas, maka rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut
1. Bagaimana pengaruh penambahan GDC terhadap struktur kristal katode LSM-YSZ?
2. Bagaimana pengaruh penambahan GDC terhadap struktur mikro katode LSM-YSZ?
3. Bagaimana pengaruh penambahan GDC terhadap sifat listrik katode LSM- YSZ dalam hal ini konduktivitas elektronik katode?
4. Apakah nilai konduktivitas listrik katode sudah baik jika dioperasikan pada suhu 600oC dibandingkan dengan katode konvensional?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut
1. Penelitian ini dibatasi hanya pada pengukuran konduktivitas elektronik katode yang didukung dengan struktur kristal dan struktur mikro katode.
2. Pengukuran konduktivitas elektronik katode dilakukan pada suhu 400oC- 700oC dan difokuskan pada suhu 600oC.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut
1. Mengetahui pengaruh penambahan GDC terhadap struktur kristal keramik LSM-YSZ yang digunakan sebagai katode pada SOFC.
2. Mengetahui pengaruh penambahan GDC terhadap struktur mikro keramik LSM-YSZ yang digunakan sebagai katode pada SOFC.
3. Mengetahui pengaruh penambahan GDC terhadap sifat listrik dalam hal ini konduktivitas elektronik keramik LSM-YSZ yang digunakan sebagai katode pada SOFC.
4. Memperoleh katode yang memiliki konduktivitas elektronik yang tinggi di suhu lebih rendah dari suhu operasional katode konvensional khususnya pada suhu 6000C.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah memahami karakteristik katode dan mendapatkan katode yang dapat dioperasikan pada suhu lebih rendah dan memiliki waktu operasional lebih lama dari katode konvensional serta mendorong penelitian lebih lanjut pada komponen-komponen SOFCs agar dapat beroperasi pada suhu yang lebih rendah lagi.
1.6 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen.
