Teknik Impedansi maju dalam studi SOFC D Vladikova*, Z. Stoynov
Electrochemical Impedance Spectroscopy termasuk salah satu teknik paling baikuntuk menginvestigasi system elektrokimia karena kemampuan untuk memisahkan antara langkah kinetik yang berbeda dari seluruh proses elektrokimia.
Pengukuran impedansi dapat dilakukan pada jarak frekuensi yang besar , dan diproses menggunakan perbedaan yang besar pada kecepatan dan waktu yang konstan yang dapat dimonitor, dibedakan dan dievaluasi konduksi elektronik cepat, kinetika elektrokimia cepat, difusi dan tipe lain dariketerbatasan transport, begitu pula pembentukan dan pertumbuhan dari fasa baru.
Namun, metode ini tidak memastikan pengukuran secara langsung dari fenomena fisik dan interpretasi Data eksperimental yaitu analisis data yang membutuhkan konstruksi dari model impedansi. Salah satu pendekatan yang dapat digunakan adalah pemodelan struktur, yang diwakili oleh sirkuit elektrokimia yang memiliki respons yang identik dari pengukuran yang didapatkan dari objek yang diinvestigasi. Setiap elemen menjelaskan bagian dari proses fisik yang terjadi pada proses elektrokimia dan
berhubungan dengan bagian matematika dari deskripsi proses. Nilai yang dapat diperkirakan dari nilai komponen sirkuit dapat memberikan kontribusi yang signifikan pada pemahaman fisik objek yang ingin diketahui. Salah satu keuntungan dari model struktur adalah pengurangan jumlah parameter yang membuat dapat diidentifikasi, efisien dan mudah dimanipulasi.
Berdasarkan fundamental dari transformasi Fourrier dan algoritma, teknik pengukuran impedansi sekarang sensitive, selektif dan adaptif dan mampu mendeteksi resistansi dari micro ohm samapi ke terra ohm.
Interpretasi yang benar terhadap hasil bergantung terhadapa dua langkah penting dalam investigasi impedansi.
Pengukuran data benar dan berkualitas bagus agar mendapatkan informasi tentang keadaan asli obyek . Elektrokimia sel dan kondisi eksperimental harus dipilih . Persyaratan seperti itu kadang diabaikan.
Analisis data harus berdasarkan konstruksi objective dari model yang digunakan. Menjelaskan sifat dari proses yang terjadi pada object dan presentasi rasional dari fenomena yang terjadi . Prinsip dan Hipotesis kerja Electrochemical Impedance Spectroscopy
Dimana dan adalah bagian real dan imajiner dari impedansi dan adalah frekuensi angular. DIformulasiakan untuk jangka yang agak panjang TF menjelaskan sifat dari system yang diinvestigasi linear dan dalam keadaan tunak. Sistem elektrokimia termasuk sel bahan bakar , berperilaku sebagai system statistik non liniear besar dengan parameter yang terdistribusi dalam skla mikro dan makro. Selama eksperimen , proses perpindahan massa dan energy dapat terjadi yang dapat mengubah struktur dan parameter objek. Namun demikian analisis impedansi dari system elektrokimia yang rumit
memerlukan beberapa penyederhanaan dan asumsi yang bias dipenuhi dengan pilihan yang tepat dari kondisi experiment.
1.1 Kelinearan
Solusi dari masalah yang ada dari perkiraan system non liniear mengnakan bagian liniernya. Dalam system elektrokimia analisis local didapatkan dengan mengukur TF pada amplitude dari sinyal perturbation diamana yang dilihat hanya pada bagian linearnya saja, Persayaratan akan kelinieran dapat tercapai apabila input sinya peturbatn sinusoidalnya cukup kecil untuk mendapatkan keadaan system yang tidak berubah, selain itu ada di rentngfrekuensi infra-low.
Karena resistansi SOFC berubah dari MΩ ke mΩ dalam satu sampel akibat interval perubahan suhu yang besar, pengukurannya dapat dilakukan pada amplitude yang berbeda pada sinyal perturbing.Impedansi yangdiukur tidak boleh bergantung terhadapa amplitude dari sinyal A.C.
1.2 Keadaan tunak
Sistem pengukuran harus independen pada pengukuran yang instan . Persyaratan ini harus valid pada seluruh rentang frekuensi . Percobaan untuk keadaan tunak dapat secara eksperimen ditest menggunakan dua percobaan berturut-turut pada kondisi yang sama. Perbedaan yang dapat diukur dimana bergantung dengan frekuensi bias digunakan untuk mengukur keadaan tunak, dimana deviasi yang paling memutuskan dari steady state akan diobservasi pada frekuensi terendah dan demikian laju eror yang dapat diterima akan membatasi rentang bawah frekuensi.
1.3 Input output tunggal
Persyaratan ini hanya bisa didapatkan bila parameter yang lain, temperature, aliran gas dll, n
dibiarkan konstan dengan pengkondisian aktif maupun pasif, karena dalam pengukuran bahan bakar memiliki parameter titik kerja yang ditentukan oleh sinyal D.C, tekanan gas (oksigen, hydrogen), kandungan air, dan ketidakmurnian gas.
1.4 Kurangnya Sifat memori
1.5 Keteramatan
Rentang keteramatan bergantung terhadap rentang frekuensi yang dibatasi oleh alas an teknis, maka pengamatan lebih banyak fenomena dalam satu obyek didapatkan dengan merubah titik kerja. Pada sel bahan bakar yang biasa dilakukan adalah temperature. Pada temperature rendah perilaku elektrolit dapat diamati, sedangkan pada temperature yang lebih tinggi reaksi elektroda dapat dipelajari, selain itu aliran gas , sebagaimana parameter lainnya yang menentukan titik kerja juga dapat bervariasi.
1.6 Hipotesis Kerja dari sudut pandang elektrokimia
Adanya penambahan arus faraday dan pengisian arus lapisan ganda
Elektronetralitas dari elektrolit . Secara praktis asumsi ini menunjukkan bahwa kerapatan total dari muatan di setiap titik bisa ditetapkan sebagai nol.
Kurangnya konveksi dan migrasi. Hal ini membawa ke konsep bahwa tidak ada perubahan pada konsentrasi local dari elektrolit dibandingkan yan disebabkan oleh difusi.
Kurangnya massa lateral dan fluks muatan yang ada pada permukaan elektroda. Untuk tujuan ini sel dlam bentuk planar atau konfigurasi silinder coaxial , dimana elektroda diasumsikan homogen.
Bahkan dengan geometri yang sempurna , sel memiliki elemen parasitic yang berpengaruh terhadap pengukuran sirkuit dan deteorasi ketepatan pengukuran, terutama pada frekuensi tinggi.
Pada temperature oerasi SOFC adalah object dengan impedansi rendah dan eror yang dihasilkan didominasi dengan tahanan sel parasitic dan induktansi Lp yang muncul dari timbale elektrik. Kehadiran Lp ini menghasilkan bentuk tipikal dengan nilai imaginer positif yang bisa merubah bentuk signifikan obyek.
Pengaruh dari elemen parasitic dapat dieliminasi dengan pengukuran kalibrasi pada sirkuit pendek untuk kabel impedansi dan pembetulan numerical dari impedansi yang terukur.
Diagram kompleks bidang impedansi , menunjukkan induktansi parasitic pada sampel YSZ yang diuukur pada 838 C
b) Pengukuran sel dengan sampel
c) Bagian frekuensi tinggi yang diperbesar dan impedansi yang diperbaiki
Experiment yang didesain baik harus mengikuti semua hipotesis kerja. Metode pengukuran yang diterapkan dan teknik instrumensasi keduanya bertanggung jawab terhadap analysis hipothesis. 2. Aplikasi dari impedansi spektroskopi untuk studi SOFC
Sebuah model sikkuit ekuivalen ditentukan diikuti dengan identifikasi parametric, penerapan model impedansi tersebut harus menjelaskan akurasi yang baik proses konduktivitas yang rumit pada komponen SOFC yang diinvestigasi. Karena bentuk diagram memberikan informasi awal dari model impedansi, sangat penting untuk mengetahui dengan baik penerapan model dan elemen impedansi , interpretasi fisik dan pengaruh dari parameter terhadap bentuk impedansi.
Plot Nyquist ideal dari keadaan padat ionic dengan elektoda terhalang sebagian terdiri dari tiga setengah lingkaran yang berhubungan dengan sirkuit ekivalen yang terdiri dari 3 elemen resistor kapasitor yang terhubung secara seri , model ini disebut model struktur Voigt
Total impedansi adalah
Aliran yang mengalir sama untuk setiap bagian dan fenomena ini dimodelkan dari setiap bagian yang dijalankan secara bersamaan. Lajunya hanya dipengaruhi oleh konstanta waktunya sendiri.
Karena dalam studi SOFC, eksperimen i mpedansi dilakukan pada interval temperature yang lebar , dapat diketahui bahwa pengamatan dari kiri ke kanan dengan peningkatan temperature , penurunan frekuensi menekankan studi elektrolitnya dimana pada temperature yang lebih tinggi reaksi elektroda yang muncul pada frekuensi yang lebih rendah secara baik ditunjukkan.
Pada gambar 4 menunjukkan pengukuran impedansi dari setengah lingkaran pada rentang temperature 100-8000C , reaksi eektroda terlihat pada diagram bidang impedansi kompleks diatas temperature
3000C , meskipun paling jelas terlihat pada suhu diatas 550oC.
Pada kasus umum 2 semi lingkran pertama , berhubungan dengan ruah dan sifat batas butir yang digunakan untuk analisis perilaku elektrolit (gambar 3,4a,4b) sehingga pengukuran kuantitatif dari Rb dan Rgb masing- masing konduktivitasnya diketahui.
Pada gambar 4 yang ditunjukkan bahwa konduktivitas pada ruah dapat dibedakan hingga 3600C . Diatas
temperature 570 hanya resistansi total electrolit yang dapat dievaluasi.
Kehadiran kekusutan pada plot arhennius mengindikasikan perubahan energy aktivasi dari konduktivitas yang dapat digunakan sebagai tambahan interpretasi fisik tambahan.
Perbandingan energy aktivasi dari ruahdan batas butir memberikan informasi penting tentang kemurnian atau kehadiran fasa kedua dengan sifat spesifik pada batas butir.
Diperlihatkan pada gambar 5 hasil yang didapatkan pada setengah sel dengan kualitas yang berbeda menyebabkan peningkatan resistivitas dari batas butir yang mungkin disebabkan oleh kehadiran lapisan tipis resistivitas tinggi.
Reaksi elektroda dibagi menjadi beberapa langkah mandiri, yang termasuk perpindahan muatan terhadap antarmuka sebagaimana proses transfer non muatan seperti adsorbsim difusi padatan dan difusi gas.
