Fuel cell adalah sebuah perangkat yang dapat mengkonversi energi kimia dari bahan bakar menjadi energi listrik dengan menggunakan reaksi elektrokimia yang dapat digunakan pada aplikasi sistem stasioner atau portabel. Fuel cell oksida padat adalah salah satu jenis fuel cell yang digunakan pada berbagai macam aplikasi dengan karakteristik penggunaan oksida keramik sebagai elektrolit.
Keuntungan fuell cell oksida padat adalah efisiensi yang tinggi, stabil, fleksibel, bahan baku yang murah, dan emsisi yang rendah. Bagaimanapun, fuel cell oksida padat memerlukan temperatur operasi yang tinggi melebihi 800 °C, dimana dapat meningkatkan biaya pemakaian dan kecepatan degradasi fuel cell tersebut.
Fuel cell jeni protonik sudah secara intensif dipelajari sebagai alternatif dari fuel cell oksida padat karena temperatur operasi yang lebih rendah (
Barium Zirkonat yang di dopping Yttrium (BYZ) menawarkan kestabilan kimia yang sangat bagus dan konduktifitas pejal yang tinggi akan tetapi aplikasinya terbatas di keramik protonik dikarenakan performa yang rendah. Peneliti sudah mencapai terobosan teknologi di bidang ini dan telah memproduksi fuel cell keramik protonik dengan elektrolit lapisan tipis BYZ terdeposisi dan mencetak rekor keluaran daya yang tinggi.
Sampai saat ini, fuel cell keramik protonik yang dikembangkan dengan elektrolit BYZ sudah dikarakterisasi dengan tahanan ohm yang tinggi dan keluaran daya yang rendah, ini dikarenakan tahanan yang tinggi di batas butir fasa mikrostrukturnya. Usaha sebelumnya untuk mengurangi batas butir di BYZ menghasilkan pertumbuhan butir BYZ dengan tahanan batas butir yang berkurang, akan tetapi sulit untuk menghilangkan batas butir sepenuhnya.
Namun tim peneliti dari Korea sekarang sudah dapat memproduksi lapisan elektrolit tipis BYZ tanpa batas butir.
Elektrolit BYZ dari fuel cell keramik protonik biasanya dibuat dengan teknik deposisi pada lapisan tipis ke bahan anoda. Ini menghasilkan struktur membran BYZ yang bergantung pada permukaan anoda yang berkualitas tinggi yang cocok untuk deposisi lapisan tipis.
Tim dari Korea menggunakan anoda multi skala yang sudah dipotimasi dengan menurunkan ukuran butir dan ukuran pori untuk menumbuhkan elektrolit lapisan tipis BYZ. Anoda multi skala terdiri dari lapisan permukaan anoda berstgruktur nano pada serbuk anoda yang diproses secara konvensional.
Gambar skematik konfigurasi anoda yang ditopang PCFC dengan lapisan tipis eleltrolit BYZ dengan foto melintang SEM dari PCFC yang sudah dibuat. Sumber : Nature Communications/Demonstrating the potential of yttrium-doped barium zirconate electrolyte for high-performance fuel cells
Fungsi dari lapisan permukaan anoda ialah untuk menurunkan cacat dan kekasaran dari permukaan anoda., meningkatkan panjang batas butir, meningkatkan kontak antara elektrolit dan anoda, sehingga menghasilkan tahanan antarmuka. Pertumbuhan elektrolit BYZ di anoda multi skala menghasilkan mikrostruktur kolom dan menghilangkan batas butir, menurunkan ketebalan membranm meningkatkan ikatan antara anoda dan elektrolit.
Peningkatan struktur dari elektrolit BYZ mengarah kepada peningkatan yang signifikan pada performa dari hasil fuel cell keramik protonik. Karakterisasi elektrokimia dari fuel cell keramik protonik BYZ memperlihatkan pemecahan rekor untuk keluaran daya 740 mW cm-2 pada 600 °C, peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan yang dilaporkan sebelumnya 650 mW cm-2 pada 600 °C.
Lebih lanjut, ohmik dan polarisasi tahanan area spesifik lebih rendah dari yang sebelumnya dilaporkan, dan tegangan sirkuit terbuka berhasil dicapai mendekati nilai teoritis BYZ (~1.08 V pada 600 °C).
Penelitian ini menunjukan tahap kedepan yang signifikan untuk penggunaan praktis dari fuel cell keramik protonik. Peningkatan performa ini memberikan solusi terhadap rendahnya kestabilan kimia keramik protonik saat ini. Lebih jauh lagi, optimasi secara berlanjut dari protonik BYZ ini termasuk optimasi bahan katoda dapat meningkatkan performa lebih baik.
Rujukan : Bae K., Jang D.Y., Choi H.J., Kim D., Hong J, Kim B-K., Lee J-H., Son J-W., Shim J.H., Nature Communications, 2017, 8, 14553.
Sumber : azom.com