Sel Pembakaran Oksida Padat (Sofc) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik

SEL PEMBAKARAN OKSIDA PADAT (SOFC)

SEBAGAI ALTERNATIF PENGHASIL ENERGI LISTRIK

OLEH:

PUTU RUSDI ARIAWAN0804405050

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA2010

PUTU RUSDI ARIAWAN i

ABSTRAKSI

Dewasa ini krisis energi telah melanda negara-negara di dunia.

Kebutuhan akan energi listrik lebih besar dibandingkan jumlah energi listrik

yang dihasilkan dari generator pembangkit. Oleh karena itu, manusia berusaha

untuk membuat pembangkit listrik alternatif yang dapat menunjang kebutuhan

akan energi listrik yang semakin meningkat.

Sel pembakaran merupakan salah satu pembangkit listrik alternatif.

Terdapat berbagai jenis sel pembakaran, salah satunya adalah sel pembakaran

oksida padat atau Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Penggunaan SOFC saat ini

masih cenderung terbatas pada dunia industri saja. Hal ini disebabkan oleh

terbatasnya pengetahuan akan SOFC.

Komponen utama penyusun SOFC terdiri atas Katode, Anode, dan

elektrolit. Keuntungan dari penggunaan SOFC adalah dapat digunakan pada

suhu yang tinggi (mencapai 1000 K) dan mampu menghasilkan output berupa

tegangan tinggi (hingga 1 kW).

PUTU RUSDI ARIAWAN ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penyusun panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena

berkat rahmat Beliaulah paper yang berjudul “ANALISIS SISTEM SEL

PEMBAKARAN OKSIDA PADAT SEBAGAI ALTERNATIF PENGHASIL

ENERGI LISTRIK“ dapat terselesaikan tepat pada waktunya.

Penyusun mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberi

bantuan moral maupun material sehingga paper ini dapat tersusun dengan baik.

Penyusun menyadari bahwa paper yang telah terselesaikan ini masih jauh dari

sempurna, baik dari segi isi, teknis, maupun bahasa. Oleh karena itu, penyusun

terbuka untuk menerima kritik dan saran yang bersifat konstruktif demi perbaikan

selanjutnya. Akhirnya penyusun berharap semoga paper ini ada manfaatnya bagi

seluruh pihak

Denpasar, Agustus 2010

Penyusun

PUTU RUSDI ARIAWAN iii

DAFTAR ISI

Absraksi ............................................................................................................. i

Kata Pengantar .................................................................................................. ii

Daftar Isi........................................................................................................... iii

Daftar Gambar................................................................................................... v

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang .................................................................................. 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................. 1

1.3 Tujuan Penulisan............................................................................... 2

1.4 Manfaat Penulisan............................................................................. 2

1.5 Ruang Lingkup.................................................................................. 2

1.6 Penjelasan Istilah............................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sel Pembakaran (Fuel Cell) .............................................................. 4

2.2 Sel Pembakaran Oksida Padat (SOFC) ............................................. 5

2.3 Pilihan Komponen Struktural SOFC................................................. 6

2.4 Teori Keseimbangan Penunjang Termodinamika............................. 8

BAB III METODE PENULISAN

3.1 Prosedur Pengumpulan Data ........................................................... 11

3.2 Prosedur Pengolahan Data .............................................................. 11

3.3 Aspek Yang Dikaji.......................................................................... 11

3.4 Prosedur Mengambil Simpulan....................................................... 11

BAB IV PEMBAHASAN DAN ANALISIS DATA

4.1 Komponen & Operasi Elektrokimia Pada SOFC........................... 12

PUTU RUSDI ARIAWAN iv

4.1.1 Komponen Elektrokimia SOFC ............................................. 12

4.1.2 Operasi SOFC : Oksidasi Elektrokimia Dari Hidrogen ......... 12

4.2 Karakteristik Arus Dan Tegangan Pada SOFC............................... 13

4.3 Daya Maksimum Pada SOFC ........................................................ 15

4.4 Efisiensi Pada SOFC..................................................................... 19

4.4.1 Thermodynamic Efficiency ( T ) ........................................... 19

4.4.2 Voltage Efficiency ( V )......................................................... 19

4.4.3 Current Efficiency ( J ) ......................................................... 20

4.5 Potensial Gibbs Dan Nernst Pada SOFC ........................................ 21

BAB V PENUTUP

5.1 Simpulan ........................................................................................ 24

5.2 Saran............................................................................................... 25

Daftar Pustaka ................................................................................................. 26

PUTU RUSDI ARIAWAN v

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Bagan sel pembakaran yang menunjukkan reaksi elektrokimia pada

elektroda dan elektron & arus ion……............………………...……......13

Gambar 2. Grafik Karakteristik SOFC I-V…………………………………..…......14

Gambar 3. Karakteristik Arus dan Tegangan daripada Substrat Pendukung SOFC

(1073 K , bahan bakar 97% H2 setelah Chan 2001)…………...………..15

Gambar 4. Sumber atas Rugi tegangan pada Substrat Pendukung SOFC (1073 K

Bahan bakar 97% H2 setelah Chan 2001)……………………...…...……15

Gambar 5. Proses aliran konstan diantara membran sel pembakaran……….…........16

Gambar 6. Potensial Nernst dan Gibbs dari H2 saat 1 bar…………………….....…..23

Gambar 7. Pengaruh tekanan terhadap Potensial Nernst saat oksidasi H2………......23

PUTU RUSDI ARIAWAN 1

BAB I

PENDAHULUAN

1. 1 Latar Belakang

Dewasa ini krisis energi telah melanda negara-negara di dunia. Kebutuhan

akan energi listrik lebih besar dibandingkan jumlah energi listrik yang dihasilkan

dari generator pembangkit. Oleh karena itu, manusia berusaha untuk membuat

pembangkit listrik alternatif yang dapat menunjang kebutuhan akan energi listrik

yang semakin meningkat.

Salah satu dari penghasil energi listrik alternatif adalah sel pembakaran (Fuel

Cell). Salah satu sel pembakaran yang dapat digunakan sebagai pembangkit pada

tegangan yang tinggi dinamakan sel pembakaran oksida padat atau yang dikenal

dengan sebutan Solid Oxide Fuel Cell atau SOFC. SOFC merupakan pembangkit

listrik alternatif yang memiliki keuntungan lebih dibanding pembangkit listrik

alternatif lainnya. SOFC menggunakan teknologi bebas polusi serta memilki efisiensi

tinggi sehingga dapat bekerja pada suhu dan tegangan tinggi (1 kW atau lebih) [4].

Penggunan SOFC dewasa ini masih terbatas pada dunia industri saja, padahal SOFC

bisa digunakan pada lingkup yang lebih luas seperti APU pada pendingin truk.

Terbatasnya penggunaan SOFC pada lingkup yang lebih luas salah satunya

disebabkan minimnya pengetahuan tentang SOFC itu sendiri. Karena itulah penulis

mengangkat “SEL PEMBAKARAN OKSIDA PADAT (SOFC) SEBAGAI

ALTERNATIF PENGHASIL ENERGI LISTRIK“ menjadi paper untuk

memperkenalkan SOFC pada lingkup yang lebih luas.

1. 2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah penulis kemukakan, maka penulis

mendapatkan rumusan masalah:

1. Apa saja komponen dan operasi dalam SOFC ?

2. Bagaimanakah karakteristik arus dan tegangan dalam SOFC ?


3. Berapakah perumusan daya maksimum yang dapat dicapai pada SOFC ?

4. Bagaimanakah perumusan efesiensi yang berlaku pada SOFC ?

5. Bagaimanakah perumusan potensial Gibbs dan Nernst pada SOFC ?

1. 3 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan daripada penulisan paper ini adalah :

1. Tujuan Umum

Memberikan tambahan pengetahuan mengenai Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

atau Sel Pembakaran Oksida Padat.

2. Tujuan Khusus

1. Untuk mengetahui komponen dan operasi yang berlaku dalam SOFC.

2. Untuk mengetahui kerakteristik arus dan tegangan dalam SOFC.

3. Untuk mengetahui perumusan daya maksimum yang dapat dicapai pada

SOFC.

4. Untuk mengetahui perumusan efesiensi yang berlaku pada SOFC.

5. Untuk mengetahui perumusan potensial Gibbs dan Nernst padam SOFC.

1. 4 Manfaat Penulisan

1. Mengenalkan kepada masyarakat tentang apa yang disebut dengan sel

pembakaran oksida padat serta teori-teori penunjang daripada sistem dalam

sel itu sehingga dapat beroperasi.

2. Memberikan solusi kepada masyarakat, mengenai penggunaan sumber energi

listrik alternatif yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari di era

krisis ini.

3. Menambah pengetahuan penulis mengenai teknologi penghasil energi listrik

alternatif, khususnya sel pembakaran oksida padat.

1. 5 Ruang Lingkup

Pada paper ini, penulis hanya membahas mengenai analisa teori tentang

sistem pada sel pembakaran oksida padat (Solid Oxide Fuel Cell / SOFC) yang mana


pembahasan hanya terbatas pada analisa tentang komponen SOFC, karakteristik arus

dan tegangan pada SOFC, daya maksimum dari SOFC, efisiensi SOFC, serta

Potensial Gibbs dan Nernst pada SOFC.

1. 6 Penjelasan Istilah

Analisa : Penyelidikan suatu peristiwa untuk mengetahui apa sebab-

sebabnya , bagaimana duduk perkaranya , dsb.

Sistem : Cara atau metode yang tertatar untuk melakukan sesuatu.

Sel : Petak pada baterai yang berisi bahan-bahan untuk mengadakan

listrik.

Pembakaran : Hal (cara, pembuatan, dsb) membakar.

Oksida : Persenyawaan asam unsur lain.

Alternatif : Satu pilihan diantara dua kemungkinan.

Energi : Daya (kekuatan) yang dapat digunakan untuk melakukan

berbagai kegiatan.

Listrik : Daya atau kekuatan yang ditimbulkan karena adanya

pergesekan atau dapat terjadi melalui proses kimia.


BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2. 1 Sel Pembakaran (Fuel Cell).

Sel Pembakaran (Fuel Cell) merupakan alat ektrokimia yang serupa dengan

baterai, tetapi perbedaannya adalah sel pembakaran ini dirancang untuk dapat diisi

kembali secara berkesinambungan setelah reaktan didalamnya habis. Misalnya

menghasilkan energi listrik dari pemasukan bahan bakar secara eksternal, kebalikan

dari baterai yang hanya memiliki penyimpanan energi internal yang terbatas.

Komponen khusus reaktan yang digunakan dalam sel pembakaran adalah

hidrogen pada Anode dan oksigen pada Katode (sel hidrogen). Perbedaannya, baterai

konvensional memakai bahan komponen reaktan padat, dan jika suatu ketika

komponen reaktan ini habis, harus dibuang, atau diisi kembali dengan cara disetrum

dengan energi listrik, untuk menjalankan kembali reaksi kimianya, atau seperti teori,

dengan mengganti elektrodanya. Tetapi dalam sel pembakaran, reaktan mengalir ke

dalam dan hasil reaksi mengalir keluar, dan reaksi ini akan terus berlanjut selama sel

ini tetap dirawat/diisi ulang.

Sel pembakaran juga menarik karena dalam beberapa aplikasi memiliki

efisiensi tinggi dan polusi yang rendah. Satu-satunya hasil sampingan suatu reaksi

dalam sel pembakaran hidrogen yang berupa uap air.

Beberapa aplikasi daripada sel pembakaran yang telah ada saat ini meliputi:

1. Baseload pada pembangkit listrik

2. Penyedia listrik dalam keadaan darurat

3. Tempat penyimpan energi pada jaringan tertutup

4. Barang elektronik portabel

5. Kendaraan bertenaga listrik

6. Sumber energi pada telepon seluler


Beberapa jenis dari sel pembakaran (fuel cell) antara lain:

- Photon-exchange Fuel Cell / Polymer Elektrolit Membrane Fuel Cell (PEM /

PEMFC) / Sel pembakaran pertukaran proton

- Reversible Fuel Cell (RFC) / Sel pembakaran bolak-balik

- Direct-methanol Fuel Cell (DMFC) / Sel pembakaran methanol langsung

- Direct Borohydride Fuel Cell / Sel pembakaran Borohidrid Langsung

- Solid-Oxide Fuel Cell (SOFC) / Sel pembakaran Oksida Padat

- Molten-carbonate Fuel Cell (MCFC) / Sel pembakaran Karbonat Larut

- Phosphoric-acid Fuel Cell (PAFC) / Sel pembakaran Asam Fosfor

- Alkaline fuel cell (AFC) / Sel pembakaran Alkaline

2. 2 Sel Pembakaran Oksida Padat (SOFC).

SOFC atau Solid Oxide Fuel Cell (sel pembakaran oksida padat)

dimaksudkan sebagian besar untuk aplikasi keperluan dengan suatu keluaran 1 kW

atau lebih besar ( pada pembangkit tenaga listrik) [2]. SOFC bekerja pada temperatur

sangat tinggi (beberapa pada 1000ºC), dan gas keluarannya dapat digunakan untuk

menembak suatu turbin gas sekunder untuk meningkatkan randemen elektris.

Efisiensi bisa menjangkau sebanyak 70% di dalam sistem bastar ini. Di dalam sel ini,

ion oksigen ditransfer melalui suatu elektrolit material oksida padat pada temperatur

tinggi untuk bereaksi dengan hidrogen pada sisi anode. Dalam kaitan dengan

operasinya pada temperatur yang tinggi, SOFC tidak memerlukan penggunaan

katalisator mahal, seperti yang digunakan pada Proton-Exchange Fuel Cell (platina).

SOFC tidak dapat dicemari oleh karbon monoksida dan ini membuatnya sebagai

bahan bakar yang fleksibel. Sel pembakaran oksida padat yang sampai saat ini sudah

sudah dioperasikan antara lain metana, propana, butana, gas hasil fermentasi, gas

biomassa dan uap cat. Bagaimanapun, komponen belerang yang terdapat di dalam

bahan bakar harus dipisahkan sebelum mencemari sel, tetapi hal ini dapat dengan

dengan mudah dilaksanakan di dalam lapisan batubara aktif atau oleh suatu penyerap

yang terbuat dari seng.


Sejak SOFC dibuat dari material keramik , menjadikannya cenderung untuk

menjadi lebih rapuh sehingga tidak sesuai untuk ditempatkan pada komponen

kendaraan. Lagipula, pemuaian suhu memerlukan ketetapan serta ketahanan terhadap

proses pemanasan saat menghidupkan / startup, hal itu akan menyebabkan startup

akan memakan waktu yang cukup lama, mungkin akan diperlukan 8 jam atau lebih,

walaupun ukuran micro-tubular dapat memberikan selang waktu startup yang lebih

lama. Riset yang sedang berlangsung sekarang menunjukkan bahwa temperatur

terendah SOFC (600oC) akan dapat menurunkan harga kebutuhan material, yang

mana akan memungkinkan penggunaan material dari metal dengan sifat mekanis dan

penghantar suhu lebih baik. Riset juga berlangsung untuk dapat mengurangi waktu

startup yang akan diterapkan pada komponen kendaraan yang menggunakan SOFC.

Dalam kaitan dengan fleksibilitas bahan bakar, akan dapat secara bertahap

menggantikan diesel, dan hal ini akan menjadikan SOFC begitu penting seperti

penggunaannya sebagai Auxiliary Power Unit (APU) pada pendingin truck [2].

Berbeda dengan hampir semua jenis sel pembakaran, SOFC mempunyai

berbagai bentuk dan ukuran. Bentuk planar memiliki lapisan khusus dalam berbagai

jenis ukuran yang digunakan oleh sebagaian besar jenis sel pembakaran, dimana

lapisan elektrolit di antara elektroda. SOFC juga dapat dibuat dalam bentuk pipa

(tabung) dimana setiap udara atau bahan bakar akan mengalir di dalam tabung dan

gas lainnya melewati bagian luar dari tabung. Bentuk tabung menguntungkan karena

lebih mudah untuk membatasi dan memisahkan bahan bakar dari udara dibandingkan

dengan bentuk planar. Kualitas dari yang berbentuk planar lebih menguntungkan

daripada yang berbentuk tabung, karena yang berbentuk planar memiliki resistansi

yang lebih rendah dibandingkan dengan yang berbentuk tabung.

2. 3 Pilihan Komponen Struktural SOFC

2. 3. 1 Pilihan Rancangan

Suatu cara untuk mengambil keputusan dalam mendesain proses

pengembangan SOFC adalah metode pilihan struktural pendukungnya. Tiga tipe yang

secara khusus diuraikan dalam literatur yaitu, Anode Supported, Cathode Supported,


dan Electrolyte Supported, artinya bahwa ketebalan lapisan yang ditingkatkan

sedemikian rupa, yang akan menyediakan suatu struktur yang kuat pada lapisan

lainnya yang terikat. Ada suatu desain yang lain, yang disebut Substrate Supported,

dimana suatu modul yang kuat dihasilkan dari suatu substrat aktif yang bersifat non

elektrokimia, ke dalam suatu lapisan tipis dari komponen elektrokimia

(electrochemical membrane) yang diletakkan [2]. Sedikit agak membingungkan, pada

literatur desain jenis ini dikenal sebagai Anode atau Cathode Support (tergantung

oleh elektroda mana yang berhubungan dengan substrat). Dalam hal ini substrat

dikenal sebagai Anode / Katode dan bagian substrat Anode / Katode dari membran

elektrokimia dikenal sebagai lapisan aktif Anode / Katode.

Rancangan Electrolyte Support sangat baik hanya pada suhu operasi yang

tinggi (1273 K) berdasarkan tingginya Hambatan-Ohm dari material elektrolit yang

tinggi pada suhu yang lebih rendah [3].

Seperti halnya Hambatan-Ohm yang rendah, rancangan Electrode Supported

diharapkan mempunyai manfaat yang ditambahkan pada aktivasi polarisasi yang

lebih rendah, terutama saat gabungan elektroda yang dibentuk dibiarkan untuk

dipadatkan pada daerah reaksi. Masalah yang dihadapi oleh perancang elektroda

pendukung SOFC, adalah konsentrasi polarisasi yang tinggi sebagai perlawanan dari

perpindahan gas melalui penyerapan elektroda yang berlebihan. Ini ditunjukkan

dengan nilai perembesan dari elektroda yang berlebihan, contohnya dimana suatu

perembesan substrat yang tinggi dan penyerapan lapisan aktif anode yang rendah

pada rancangan Rolls-Royce.

2. 3. 2 Desain Yang Dipilih.

Westinghouse SOFC adalah rancangan Cathode Supported, dimana integritas

mekanismenya disediakan pada ketebalan 2 mm dari sisi udara elektroda. Rolls-Royce

SOFC adalah Anode-Side Substrate Supported, dengan struktur pendukung yang

disediakan pada modul substrat keramik dimana anode terikat [3].


2. 4 Teori Keseimbangan Penunjang Termodinamika.

Analisis reaksi elektrokimia yang berlangsung di dalam SOFC pada keadaan

seimbang memberikan penentuan potensial listrik antara anode dan katode pada

tahapan gas yang secara langsung dari kondisi sel dan wujud komponen reaktan [3].

Keadaan itu mengungkapkan untuk memperoleh potensi adalah serupa untuk

memperoleh dengan mempertimbangkan ‘ Aliran stasioner’ operasi SOFC di bawah

kondisi ideal. Persetujuan ini diharapkan berlaku ketika operasi ideal SOFC

mengasumsikan quasi-equilibrium (adalah suatu aliran stasioner, tetapi orang

menganggap untuk dapat mengabaikan bahwa berawal dari keadan seimbang).

Keuntungan dari analisis unsur adalah bahwa itu dapat memperluas pengetahuan

untuk mempertimbangkan karakteristik yang tidak seimbang yang dinamakan

pengaktifan polarisasi.

Sebelum mempertimbangkan perhitungan SOFC perumusan berikut dapat

digunakan untuk memperjelas perumusan dan teori yang mana nantinya digunakan di

dalam analisis elektrokimia. Perhitungan suatu reaksi kimia umum dalam keadaan

seimbang:

aA + bB +… kK + lL +… (1)

Di mana, semua jenis diasumsikan untuk tidak mempengaruhi. Gunakan konsep

potensi kimia [3] reaksi ini dapat diwakili seperti berikut:

i

ii Mv 0 (2)

Di mana, iv menjadi koefisien stoikiometri, nilai positif untuk RHS dan yang negatif

untuk LHS (suatu konvensi bebas) dan Mi massa dari komponen reaktan dan produk.

Teori Thermodynamic menunjukkan bahwa kondisi untuk keseimbangan dari

reaksi ini adalah:

i

iiv = 0 (3)

Di mana, µi menjadi potensial kimia per mole dari jenis i. Sekarang, jika sebagian

dari jenis bernilai, kondisi keseimbangan diubah dan itu dapat ditunjukkan menjadi:

i

iii Fzv 0)( (4)


Dimana F adalah ketetapan Faraday (berharga elektronik * kode Avogadro), iz

merupakan kode dari harga dari setiap jenis dan merupakan potensial listrik dalam

setiap fase dimana setiap jenisnya berada. Massa = )( Fzii merupakan

potensial elektro kimia per mol ( notasinya sangat bervariasi ).

Untuk gas ideal, potensial kimianya didapat dengan rumusan:

0

0 ln)(),( ppRTTpT (5)

dengan ketentuan 0p = 1 bar. Karenanya )(0 T merupakan potensial kimia per mol

dari sebuah gas ideal pada tekanan 1 bar. Perumusan fungsi itu hanya jika

dipengaruhi oleh suhu.

Di dalam campuran gas ideal, potensial kimia dari tiap jenis adalah tetap dan

pengaruh tekanannya yang diatur oleh sebagian tekanannya, adalah:

dimana adalah tekanan pada campuran; ix adalah fraksi mol dari komponen

I; dan adalah potensial kimia per mol dari berat bersih komponen i pada tekanan

1 bar.

Penerapan pada SOFC saat kondisi seimbang, tidak ada arus yang mengalir

melewati elektrolit karenanya:

1. Fraksi mol O2 gas adalah tetap melalui katode

2. Konsentrasi ion O2 adalah tetap melalui elektrolit

3. Fraksi mol gas H2 dan H2O adalah tetap melalui anode

Elektrolit katoda menghubungkan separuh reaksi:


karena seimbang, maka:

penggabungannya memberikan:

Pada elektrolit anode yang menggabungkan separuh reaksi:

saat seimbang, maka:

dan penggabungannya menghasilkan:

Perbedaan potensial elektrik antara anode dan katode dapat dinyatakan sebagai

berikut [4]:


BAB III

METODE PENULISAN

3. 1 Prosedur Pengumpulan Data

Data yang digunakan penulis pada penyusunan ini dikumpulkan dengan cara

studi kepustakaan. Dengan menggunakan sumber dari buku, encyclopedia, internet,

serta sumber-sumber lainnya yang mendukung judul paper ini sehingga data yang

tersusun sesuai dengan fakta yang didapatkan dari sumber tersebut.

3. 2 Prosedur Pengolahan Data

Tahap-tahap pengolahan data meliputi:

1. Mengumpulkan data yang berhubungan dengan topik penelitian dari berbagai

sumber literatur.

2. Menyunting data sesuai dengan judul penulisan untuk mengurangi kesalahan.

3. Menyusun data yang telah terseleksi secara sistematika .

4. Mengambil simpulan atas jawaban rumusan masalah.

3. 3 Aspek Yang Dikaji

Menganalisa tentang sistem yang bekerja pada Sel Pembakaran Oksida Padat

secara teoritis, antara lain: komponen & operasi elektrokimia, karakteristik arus &

tegangan, efesiensi, dan Potensial Gibbs & Nernst pada sel tersebut.

3. 4 Prosedur Mengambil Simpulan

Simpulan yang diambil tidak terlalu luas, jelas, dan merupakan jawaban dari

permasalahan serta tidak menyimpang dari rumusan masalah.


BAB IV

PEMBAHASAN DAN ANALISIS DATA

4. 1 Komponen & Operasi Elektrokimia Pada SOFC

4. 1. 1 Komponen Elektrokimia SOFC

Solid Oxide Full Cell (Sel Pembakaran Oksida Padat) mempunyai tiga prinsip

komponen elektrokimia :

1. Katode : Pada sisi udara pada Elektroda, di mana oksigen dari udara berpisah

secara elektrokimia untuk menghasilkan ion oksigen.

2. Anode : Elektroda pada sisi bahan bakar, di mana ion oksigen dari katode

secara elektrokimia dikombinasikan dengan hidrogen dari bahan bakar untuk

membentuk air.

3. Elektrolit : Koduktor terpilih yang mana berfungsi sebagai suatu penghalang

pada pengangkutan gas tetapi mengkonduksi ion oksigen. Pada elektrolit di

elektrode akan membatasi reaksi elektrokimia yang berlangsung.

Elektrolitnya berupa zat padat yang tidak mengandung metal oksida fosfor,

biasanya Yttria (Y2O3) yang lebih stabil daripada Zirconia (ZrO2). Sel dapat beroprasi

pada suhu 6500C hingga 10000 C, dimana efesiensi konduksi saat reaksi anoda

dengan ion oksigen sedang berlangsung. Biasanya anode terbuat dari cermet (Co-

ZrO2) atau Ni-ZrO2 dan katode terbuat dari Sr- LaMnO3.

4. 1. 2 Operasi SOFC : Oksidasi Elektrokimia Dari Hidrogen

Reaksi elektrokimia berlangsung hanya pada alat penghubung antara

elektroda dan elektrolit (lapisan penghubung ini dapat dipadatkan dengan pengolahan

yang sesuai). Disediakan untuk sebuah sel pembakaran dengan metana, tiga reaksi

yang mungkin: oksidasi langsung metana, oksidasi karbon monoksida dan oksidasi

hidrogen. Kebanyaan sel pembakaran dirancang untuk oksidasi hidrogen, karena

reaksi hidrogen mempunyai energi kinetik yang lebih. Karenanya tingkat dari reaksi


lain akan lebih kecil dan pada perkiraan awalnya dapat meleset. Selama reaksi

oksidasi hidrogen, ion oksigen dari arus oksidiser dibebaskan antara penghubung

elektrode dan elektrolit. Ketika melewati elektrolit menuju penghubung antara anode

dan elektrolit yang mana akan direaksikan dengan ion hidrogen dan akan dibebaskan

dalam bentuk air.

Gambar 1 adalah bagan penampakan suatu sel reaksi elektrokimia yang

konstituen, penempatan mereka dan arus ion dan elektron

Keseluruhan reaksi adalah:

Gambar 1. Bagan sel pembakaran yang menunjukkan reaksi elektrokimia pada elektroda

dan elektron & arus ion.

4. 2 Karakteristik Arus Dan Tegangan Pada SOFC

Kombinasi persamaan untuk masing-masing dari gejala yang dilibatkan di

dalam potensi sel menimbulkan karakteristik SOFC I-V . Suatu format umum, kunci

utama gejala ditunjukkan pada gambar 2.


Gambar 2. Grafik Karakteristik SOFC I-V

Penggambaran keadaan yang jelas ditunjukkan di dalam Gambar 2 adalah biasanya

tidak terlihat pada data percobaan, itu tergantung atas magnetudo relatif dari disain

sel dan parameter operasional. Sebagai contoh, di dalam SOFC temperatur operasi

yang tinggi berarti efek pengaktifan itu kecil.

Survei Lapangan Chan et al [3] sampai saat ini sudah memproduksi suatu

lengkap model polarisasi dari suatu SOFC dan menyediakan data relevan untuk

keduanya, yakni mengenai elektrolit dan anode yang mendukung suatu sel. Di dalam

penelitian pada SOFC I-V kurva selalu linier, tidak satupun menunjukkan mengenai

karakteristik .

Kim et al [3] sudah melaksanakan berkali-kali analisis efek polarisasi secara

mendalam, termasuk percobaan dan pemastian model teoritis data percobaan. Di

dalam penelitiannya karakteristik dari kurva Gambar 2 adalah nyata, bagaimanapun

penjelasan tidaklah sesederhana seperti tersebut di atas untuk diikuti. Hasil penelitian

diperlihatkan pada Gambar 3 & 4. Tampilan ini memperlihatkan suatu substrat yang

mendukung sel (elektroda tipis & elektrolit) pada 1273 K dengan 50% H2 sebagai

bahan bakar tanpa pengaktifan maupun efek konsentrasi polarisasi.


Gambar 3. Karakteristik Arus dan Tegangan daripada Substrat Pendukung SOFC

(1073 K , bahan bakar 97% H2 setelah Chan 2001).

Gambar 4. Sumber atas Rugi tegangan pada Substrat Pendukung SOFC

(1073 K Bahan bakar 97% H2 setelah Chan 2001)

4. 3 Daya Maksimum Pada SOFC

Dimana analisis dari SOFC mengikuti suatu analisis oksidasi hidrogen, ion

oksigen yang terkonduksi dalam membran elektrokimia sel pembakaran, yang mana

menentukan daya elektrokimia maksimum yang dapat digambarkan dari sel.

Penerapan membran elektrokimia di dalam operasi yang berlangsung secara terus-

menerus (Gambar 5). Penerapan hukum termodinamika yang pertama atas ketetapan


Steady Flow Energy Equation (SFEE) dan mengeluarkan hukum yang kedua dalam

wujud Dalil Daya Maksimal yang mengijinkan keluaran daya maksimum agar dapat

ditentukan.

Gambar 5. Proses aliran konstan diantara membran sel pembakaran.

Pada Gambar 5, aliran molar keseluruhan dari suatu reaksi elektrokimia

menghasilkan komposisi timbal balik yang tetap diantara membran.

Berikut adalah reaksi yang memenuhi:

Fluks molar (per mol H2) semestinya:

Gas lain (seperti N2 pada udara dan CO2) pada bahan bakar mungkin dapat

digunakan, tetapi diantaranya tidak dilibatkan dalam reaksi elektrokimia dan tidak

dapat menembus untuk memasuki membran. Gas-gas tersebut tidak dapat dilibatkan

dalam SFEE, sehingga SFEE:

dimana Q dan W adalah tranfer panas dalam volume kontrol dan tranfer daya diluar

volume kontrol, berturut-turut. Dan h adalah lambang (molar) entalpi dari reaktan dan

produk.


Jika proses berlangsung terbalik sehingga W = Wmax (teorema daya

maksimum) maka perumusan untuk hukum kedua adalah:

dimana T merupakan temperatur disaat panas ditransfer menuju sistem dan s adalah

lambang (molar) entropi dari reaktan dan produk.

Penggabungan daripada perumusan 2 dan 3 menghasilkan:

perlakuan ini haruslah merupakan perlakuan elektrokimia, dimana tidak ada

perlakuan yang mungkin di dalam aliran yang tetap terhadap lingkungan pada

temperatur T. Sehingga dianggap semua gas tidak stabil. Daya elektrokimia yang

maksimum per mol H2 dijelaskan pada rumusan (5) berikut:

dianggap semua gas adalah tidak stabil sehingga:

Rumusan (5) menjelaskan output daya maksimum. Berikutnya adalah sedikit

langkah-langkah perhitungan tambahan untuk memberi hasil dalam kaitan dengan

jumlah yang ada. Dimana pantas mempertimbangkan keuntungan di dalam

menggunakan persamaan yang dapat menghentikan dampak pada daya maksimum

dalam bahan bakar dan komposisi oksida dimana dilambangkan dengan variabel.

Pemisahan entropi suhu ke dalam tekanan standar (p0 = 1 bar) dan suhu sistem

tekanan (persamaan 6):


Sekarang menggunakan persamaan tersebut dalam mengubah entropi pada

persamaan gas ideal ( yang diperoleh dari persamaan hubungan gas ideal ).

dimana adalah pengganti fungsi Gibbs untuk 1 mol H2 pada temperatur T

ketika semua reaktan dam produk memasuki dan melewati p0 = 1 bar, R adalah

konstanta gas universal.

Penggabungan menggunakan hukum Log:

Pernyataan pertama berisi daya maksimum untuk sebuah hipotesis reaksi dimana

tekanan parsial diantara reaktan dan produk adalah 1 bar, seperti yang hanya bisa

dicapai jika H2O dipindahkan sepanjang tempat pada membran dan tidak ada dilutent

gas yang mencampuri dan istilah yang kedua meliputi entropy perubahan dalam

kaitan dengan pencampuran air produk dengan komponen reaktan hidrogen (istilah

ini juga menunjukkan efek tambahan dilutents gas).

Analisis yang sama untuk persoalan karbon monoksida (9) dan oksidasi

metana (10), menghasilkan:


4. 4 Efisiensi Pada SOFC

Efisiensi SOFC dapat dibagi menjadi tiga macam: Thermodynamic Efficiency

(sifat intrinsik bahan bakar), Voltage Efficiency (kemampuan untuk menyediakan

voltase yang ideal) dan Current Efficiency (kemampuan untuk menggunakan bahan

bakar yang disediakan).

IVTSOFC

4. 4. 1 Thermodynamic Efficiency ( T )

Efisiensi maksimum ditentukan oleh sifat intrinsik bahan bakar. Ditunjukkan

dengan kemampuan pengoksidasian secara elektrokimia suatu bahan bakar dan pada

beberapa bahan bakar pengoksidasian secara elektrokimianya dapat lebih

menguntungkan daripada yang lain. Thermodynamic Efficiency dirumuskan sebagai:

H

ST

H

GT

1 (15)

Dimana H adalah entalpi reaksi; S adalah perubahan entropi reaksi; dan

G adalah perubahan fungsi Gibbs pada reaksi. Jika H dijadikan 0H (pada 298K),

ini merupakan Hukum Pertama Efisiensi Konvensional. Gambar 1 menunjukkan

untuk penggunaan bahan bakar secara umum, seperti Hidrogen dan Karbon

Monoksida ( H negatif dan S negatif), efisiensi thermodinamik <1, tetapi untuk

bahan bakar lainnya seperti metana, efisiensi termodinamiknya >1 secara teori

memungkinkan.

4. 4. 2 Voltage Efficiency ( V )

Voltase operasi dari suatu sel selalu kurang dari nilai maksimum menurut

teori, dengan demikian voltage efficiency dituliskan sebagai:

rv E

E (1)

Dimana, E adalah tegangan operasi sel dan Er adalah voltase reversible. Dengan

catatan bahwa Er biasanya lebih besar dibandingkan tegangan sirkuit terbuka


sebagaimana yang telah terukur. tegangannya dapat diperoleh setelah diketahui

kerugian yang disebabkan oleh kebocoran gas, reaksi samping, dan lainnya.

Perbedaan antara tegangan operasi (yang meliputi reaksi kinetik) dan voltase

reversible (yang merupakan suatu kwantitas thermodynamik murni) termasuk

polarisasi, tegangan berlebih, atau potensial berlebih dan ditulis sebagai , dimana:

EER (2)

Total Polarisasi dari sel dapat dibagi menjadi empat komponen, antara lain:

perpindahan muatan, atau aktivasi polarisasi ( A ), difusi atau konsentrasi polarisasi

( D ), reaksi polarisasi ( R ), dan hambatan atau Ohmic Polarisation ( ), dimana:

RDA (3)

Suatu kurva IV secara teoritis ditunjukkan dalam Gambar 2. Pada kenyataannya,

meskipun tidak satupun pengaruh ini dapat dihilangkan, semua dapat diminimalisasi

dengan material pilihan yang sesuai ukuran dan kondisi-kondisi lainnya.

4. 4. 3 Current Efficiency ( J )

Efisiensi berkurang jika tidak semua komponen reaktan dikonversi menjadi

hasil reaksi, atau jika beberapa elektron dilibatkan dalam reaksi lain, seperti

terjadinya karat. Untuk konversi 100% dari sel jF, dijelaskan pada Hukum Faraday:

dt

dfzFjR

Dimana f adalah jumlah bahan bakar yang tersedia (mol), z adalah jumlah elektron

yang dipindahkan per molekul bahan bakar, dan F adalah konstanta Faraday yaitu

muatan yang dipindahkan per mol elektron. Untuk konversi yang tidak sempurna

yang dihasilkan oleh kerapatan arus sel, dirumuskan sebagai:

consumeddt

dfzFj

Dengan demikian, Current Efficiency dituliskan sebagai:

Fj j

j


Pada sel pembakaran, unsur utama dari current efficiency adalah penghematan

bahan bakarnya. Semenjak penghematan bahan bakar tingkat tinggi pada sel

pembakaran biasa dan SOFC khususnya, mengakibatkan konsentrasi polarisasi yang

sangat tinggi, bahan bakarnya dapat bebas dioperasikan dengan penghematan yang

kurang dari 100%. Hal yang berkaitan tentang efisiensi saat ini timbul karena adanya

kebocoran gas, dan konduktivitas listrik dari suatu elektrolit.

4. 5 Potensial Gibbs Dan Nernst Pada SOFC

Potensial Gibbs dan Nernst adalah perumusan tegangan sel yang berasal dari

hubungan kebalikan hukum termodinamik, yaitu tidak mempertimbangkan reaksi

kinetik. Setelah yang ditentukan keluaran nilai daya maksimum dari suatu SOFC,

potensi Gibbs dan Nernst dapat ditentukan dengan menghitung arus yang tersedia dan

menyamakan daya elektrokimia maksimum yang dilakukan oleh sel untuk

menghasilkan energi menuju circuit eksternal.

Berikut merupakan reaksi pada anode dimana elektron dibawa menuju circuit

eksternal:

Kemudian 2 elektron bereaksi melepaskan molekul H2, menghasilkan:

Muatan total per mol H2 = 2 x Na x qe = 2 x F (10)

Dimana:

NA adalah bilangan Avogadro (satuannya molekul/mol)

qe adalah muatan elektron (Coulomb)

F adalah konstanta Faraday (Coulomb/mol)

Persamaan elektrokimia maksimum yang bekerja pada daya listrik (W), hasil

perkalian tegangan (Joules/Coulomb) dengan arus (Coulombs/second)

menghasilkan:


dimana:

I adalah arus pada membran per mol hidrogen (A)

E adalah tegangan pada membran (V)

Di dalam literatur, tegangan membran pada perumusan (12) disebut dengan

Potensial Nernst (EN), dan perkalian tegangan membran hanya dipengaruhi oleh

perhitungan pada persamaan (12), sedangkan yang mengabaikan perhitungan

tegangan parsial dinamakan Potensial Gibbs (EG).

Jika diinginkan, persamaan (12) dapat ditulis ke dalam bentuk persamaan

fraksi mol:

Catatan untuk perumusan (12):

1. Gambar (6) dan (7) menerangkan tentang komposisi dan pengaruh tekanan

pada potensial Nernst saat oksidasi terhadap H2.

2. Potensial Gibbs merupakan potensial membran pada perumusan sel, dimana

tekanan parsial produk dan reaktan adalah 1 bar.

3. Perumusan Nernst dapat bernilai positif ataupun negatif. Selain itu, Potensial

Gibbs bukalah potensial maksimum sel.

4. Dalam kaitannya dengan stokiometri dari reaksi dan penghasilan produk

berupa air pada sisi bahan bakar, equimolar H2-H2O (baik itu 50-50 atau lebih

sedikit jika ada dilutens) dengan O2 murni sebagai hasil oksidan akan

mendapatkan nilai nol pada perhitungan Nernst. Ini dapat diterangkan dengan

mempertimbangkan daya yang diperlukan untuk membuat tekanan H2

menjadi 1 bar dalam mengimbangi penghasilan daya dengan mengubah

pemuaian dari H2O.

5. Pernyataan yang serupa menjelaskan besar atau kecilnya Potensial Nernst

saat besar dan kecilnya fraksi H2.

6. Pernyataan untuk potensial Gibbs dan Nernst pada CO dan CH4 dapat yang

diperoleh pada cara diperkenalkan di sini menggunakan pernyataan yang

sesuai untuk Wmax menghasilkan Analisis Daya Maksimum dari SOFC.


Gambar 6. Potensial Nernst dan Gibbs dari H2 saat 1 bar.

Gambar 7. Pengaruh tekanan terhadap Potensial Nernst saat oksidasi H2.


BAB V

PENUTUP

5. 1 Simpulan

1. SOFC tersusun atas komponen anoda, katoda, dan elektrolit yang berupa

elektrolit padat yang tidak mengandung metal oksida fosfor. Operasi yang

terjadi pada SOFC adalah reaksi oksidasi hidrogen.

2. Jika SOFC beroperasi pada temperatur yang tinggi maka akan memperkecil

efek pengaktifan. Efek pengaktifan akan meningkat saat tegangan meningkat

dan kuat arus yang rendah.

3. Daya maksimum yang dihasilkan dari setiap reaksi per mol H2 pada SOFC

dapat dirumuskan:

4. Efisiensi SOFC dapat dibagi menjadi tiga macam:

Thermodynamic Efficiency (sifat intrinsik bahan bakar) dirumuskan:

H

ST

H

GT

1

Voltage Efficiency (kemampuan untuk menyediakan tegangan yang ideal),

dirumuskan:

rv E

E

Current Efficiency (kemampuan untuk menggunakan bahan bakar yang

disediakan), dirumuskan:

Fj j

j


5. Potensial Gibbs dan Nernst pada SOFC dirumuskan :

Perumusan di atas disebut dengan Potensial Nernst ( EN ), sedangkan yang

mengabaikan perhitungan tegangan parsial dinamakan Potensial Gibbs ( EG ).

5. 2 Saran

1. Agar penggunaan SOFC lebih dikembangkan dan disebarluaskan pada

masyarakat sebagai penghasil energi listrik alternatif.

2. Diharapkan pemerintah bersedia ikut serta dalam pengembangan teknologi

SOFC di Indonesia.

3. Diupayakan agar pengembangan SOFC dilakukan secara besar-besaran

sehingga akan mampu mengatasi masalah krisis energi listrik.


DAFTAR PUSTAKA

[1] Mukaimin. 1991. “Bahan-Bahan Listrik Untuk Politeknik”. Hal 96. Jakarta:

Pradnya Paramitha.

[2] Microsoft Encharta Encyclopedia 2004. “Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's)”.

Accesed: 25 Juli 2006.

[3] Ben Todd, Cambridge, UK. “Research & Analysis Fuel Cells”. http://www.

fuelcellknowledge.org/. Accesed: 22 Oktober 2003.

[4] GNU Free Documentation License. ”Fuel Cell”. http://id.wikipedia.org/wiki/

Fuel_Cell. Accesed: 31 Mei 2006.

[5] Hardy, Syam. 2004. “Sel Pembakaran Sebagai Penghasil Energi Listrik”.

http://www.Energi.LIPI.go.id/. Accesed : 14 Juli 2006.


BIODATA PENULIS

Nama : Putu Rusdi Ariawan

TTL : Denpasar. 19 April 1990

Agama : Hindu

Mahasiswa Teknik Elektro Unv. Udayana

Email : [email protected]

www.facebook.com/turusdi

Sel Pembakaran Oksida Padat (Sofc) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik

Documents

Transcript of Sel Pembakaran Oksida Padat (Sofc) Sebagai Alternatif Penghasil Energi Listrik