komposit nano nikel oksida-samarium terdop seria...
Post on 30-Nov-2019
11 Views
Preview:
TRANSCRIPT
KOMPOSIT NANO NIKEL OKSIDA-SAMARIUM TERDOP SERIA
KARBONAT-ARGENTUM (NiO-SDCC-Ag) SEBAGAI ANOD BAGI SEL FUEL
OKSIDA PEPEJAL BERSUHU RENDAH
LIDIYAWATI BINTI SUHAIRI
Laporan projek ini dikemukakan sebagai
memenuhi syarat penganugerahan
Ijazah Sarjana Kejuruteraan Mekanikal
Fakulti Kejuruteraan Mekanikal dan Pembuatan
Universiti Tun Hussein Onn Malaysia
JANUARI 2014
v
ABSTRAK
Kini, terdapat minat yang semakin meningkat dalam membangunkan sel fuel oksida
pepejal (solid oxide fuel cell, SOFC) kerana faedahnya. SOFC telah dianggap penting
untuk aplikasi sel fuel pada masa hadapan kerana SOFC bebas daripada pencemaran
teknologi untuk menjana elektrik pada kecekapan yang lebih tinggi berbanding dengan
mana-mana jenis sel fuel. Dalam kajian ini, anod komposit nikel oksida-samarium
terdop seria karbonat-argentum (NiO-SDCC-Ag) telah dikaji berkaitan dengan
keserasian kimia dan sifat fizikalnya. Serbuk anod disediakan dengan mencampurkan
NiO dengan SDCC melalui kaedah pengisaran bebola basah dalam peratusan nisbah
berat 50:50 (NiO50-SDCC50) dan 70:30 (NiO70-SDCC30) dan ditambah dengan Ag
pada komposisi 1, 3 dan 5 % berat. Campuran serbuk kemudiannya di kalsin pada
600°C, 700°C dan 800°C. Pelet anod kemudiannya dipadatkan pada tekanan 46 MPa dan
disinter pada 600°C. Serbuk anod komposit terdiri daripada tiga fasa hablur iaitu struktur
kubus NiO, kubus Ag dan kubus berpusat muka SDCC sebagaimana yang diperolehi
dengan pembelauan sinar-X (XRD). Hasil XRD juga menunjukkan bahawa NiO, SDCC
dan Ag masih mengekalkan struktur asal hablur mereka sendiri dan tiada puncak
belauan tambahan kelihatan. Ini menunjukkan bahawa NiO, SDCC dan Ag mempunyai
keserasian kimia yang baik. Keputusan FTIR pula menunjukkan fasa karbonat kekal
hadir dalam serbuk anod komposit sehingga suhu kalsin 800°C pada kesemua campuran
anod komposit. Imej daripada miskroskop elektron pengimbas pancaran medan
(FESEM) menunjukkan bahawa sampel NiO70-SDCC30 mempunyai lekatan yang lebih
baik dan keliangan yang tinggi berbanding dengan NiO50-SDCC50. Keliangan yang
diperolehi adalah dalam julat 25.77% - 42.16% untuk sampel anod komposit. Keputusan
ini menunjukkan bahawa NiO-SDCC-Ag berpotensi menjadi bahan anod yang sesuai
untuk SOFC bersuhu rendah (Low temperature solid oxide fuel cell, LT-SOFC).
vi
ABSTRACT
Recently, there is growing interest in developing solid oxide fuel cells (SOFC) because
of its benefits. SOFC has been considered important for fuel cell applications in the
future because SOFC technology is free of contaminants to generate electricity at a
higher efficiency than that of any type of fuel cell. In this study, composite anodes nickel
oxide-samarium doped ceria carbonate-argentum (NiO-SDCC-Ag) were investigated in
relation to their chemical compatibility and physical properties. Anode powder was
prepared by mixing the NiO with SDCC via wet ball milling process in weight
percentage of 50:50 (NiO50-SDCC50) and 70:30 (NiO70-SDCC30), and added with Ag
in the composition of 1, 3 and 5wt %. The powder mixtures were calcined at 600°C,
700°C and 800°C. Anode pellets are then compressed at a pressure of 46 MPa and
sintered at 600°C. Composite anode powder consist of three phases i.e. the cubic NiO,
cubic Ag and face-centered cubic structure SDCC as confirmed with x-ray diffraction
(XRD). XRD results also show that NiO, SDCC and Ag still remained their own crystal
structures and no additional diffraction peaks appeared. This indicates that NiO, SDCC
and Ag have good chemical compatibility. The FTIR results showed that the carbonate
phase remains present in the composite anode powder until calcine temperature up to
800°C for all anode composite mixture. Field emission scanning electron microscopy
(FESEM) images showed that sample NiO70-SDCC30 have better adhesion and highest
porosity compared with NiO50-SDCC50. Porosity obtained is in the range of 25.77% -
42.16% for the anode composite samples. These results showed that the NiO-SDCC-Ag
anode material could potentially be suitable for low temperature SOFC (LT-SOFC).
vii
KANDUNGAN
TAJUK i
PENGAKUAN ii
DEDIKASI iii
PENGHARGAAN iv
ABSTRAK v
KANDUNGAN vii
SENARAI JADUAL x
SENARAI RAJAH xi
SENARAI SIMBOL xiv
SENARAI SINGKATAN xv
SENARAI LAMPIRAN xvi
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Pengenalan 1
1.2 Latar belakang kajian 2
1.3 Permasalahan kajian 4
1.4 Objektif kajian 6
1.5 Skop kajian 7
BAB 2 KAJIAN LITERATUR 9
2.1 Pengenalan 9
viii
2.2 Pembangunan sel fuel oksida
pepejal suhu rendah 13
2.2.1 Nikel oksida-samarium
terdop ceria karbonat
(NiO-SDCC) 14
2.3 Pembangunan bahan anod komposit 14
2.3.1 Sifat-sifat bahan anod 15
2.3.2 Kaedah penghasilan serbuk
anod komposit 16
2.3.2.1 Kaedah tindakbalas
keadaan pepejal 19
2.4 Komponen anod komposit SOFC 20
2.4.1 Kaedah pembentukan komponen anod 22
2.4.1.1 Kaedah penekanan ekapaksi 24
2.5 Faktor-faktor yang mempengaruhi
kekonduksian anod komposit NiO 25
2.5.1 Sifat serbuk anod komposit 25
2.5.2 Komposisi anod komposit 26
2.5.3 Keadaan pemprosesan 28
2.5.4 Pengaruh bahan tambah argentum 30
BAB 3 METODOLOGI 32
3.1 Pengenalan 32
3.2 Bahan mentah 35
3.3 Penyediaan serbuk elektrolit
komposit SDCC 36
3.4 Penyediaan serbuk anod komposit
NiO-SDCC 37
3.5 Penyediaan serbuk anod komposit
NiO-SDCC-Ag 38
3.6 Penyediaan pelet anod komposit 39
ix
3.7 Pencirian serbuk anod komposit 40
3.7.1 Analisis sifat kimia serbuk
anod komposit NiO-SDCC-Ag 40
3.7.2 Morfologi zarah serbuk anod
komposit NiO-SDCC-Ag 41
3.7.3 Analisis sifat fizikal anod
komposit NiO-SDCC-Ag 41
BAB 4 KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 43
4.1 Pengenalan 43
4.2 Analisis sifat kimia serbuk anod
komposit NiO-SDCC-Ag 43
4.2.1 Keserasian kimia anod
komposit NiO-SDCC-Ag 43
4.2.2 Kehadiran fasa karbonat di
dalam anod komposit NiO-
SDCC-Ag 57
4.3 Morfologi zarah bagi serbuk anod
komposit MiO-SDCC-Ag 63
4.4 Keliangan anod komposit NiO-SDCC-Ag 70
BAB 5 KESIMPULAN DAN CADANGAN 76
5.1 Pengenalan 76
5.2 Kesimpulan 76
5.3 Cadangan 78
RUJUKAN 80
LAMPIRAN 95
VITA
x
SENARAI JADUAL
2.1 Ringkasan perbezaan utama jenis sel 11
3.1 Ciri-ciri serbuk komersil yang digunakan
dalam kajian 35
3.2 Komposisi serbuk anod komposit dengan
kandungan Ag yang berbeza 38
4.1 Saiz kristalit yang ditentukan melalui XRD bagi
serbuk anod komposit ; (a) NiO50-SDCC050
(b) NiO70-SDCC30 55
4.2 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk anod komposit NiO-SDCC yang disinter
pada suhu yang berbeza 66
4.3 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk anod komposit NiO-SDCC-Ag
(1%berat) yang disinter pada suhu yang berbeza 67
4.4 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk anod komposit NiO-SDCC-Ag
(3%berat) yang disinter pada suhu yang berbeza 68
4.5 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk anod komposit NiO-SDCC-Ag
(5%berat) yang disinter pada suhu yang berbeza 69
xi
SENARAI RAJAH
1.1 Prinsip asas operasi SOFC 2
2.1 Prinsip asas pelbagai jenis sel fuel 12
2.2 Gambar rajah skema sempadan tiga fasa
anod Ni/YSZ 21
2.3 Kekonduksian elektrik, σ( S/cm) melawan
nisbah saiz partikel YSZ/NiO untuk enam
Ni-YSZ seramik logam(1 hingga 6), diperbuat
dengan bahan-bahan permulaan NiO dan YSZ
yang berbeza 26
2.4 Perubahan kekonduksian elektrik pada 1000°C
berkaitan dengan kandungan isipadu Ni bagi
Ni-YSZ seramik logam disinter selama 2 jam
pada 1200, 1250, 1300 dan 1350°C 28
2.5 (a) Keliangan melawan suhu pensinteran bagi
seramik logam Ni-YSZ, disinter dengan masa
yang berbeza ( 2jam, 4 jam, 6 jam)
(b) Kekonduksian anod melawan keliangan
seramik logam Ni-YSZ dengan nisbah isipadu
Ni kepada YSZ adalah 40:60 29
2.6 Mikrograf SEM permukaan patah (a) sel tanpa
Ag disinter pada 920°C dan (b) sel konvensional
disinter pada suhu pensinteran 1100°C 31
3.1 Carta alir keseluruhan metodologi kajian 33
3.2 Serbuk yang digunakan dalam kajian (a) SDC,
xii
(b) Na2CO3 dan (c) Li2CO3 35
3.3 Profil pengkalsinan bagi serbuk anod komposit
NiO-SDCC 38
3.4 Gambar rajah skema pelet anod komposit 39
3.5 Profil pensinteran bagi pelet (NiO-SDCC-Ag) 40
4.1 Spektrum XRD bagi serbuk komersil NiO,
SDCC dan serbuk anod komposit NiO-SDCC
dengan komposisi yang berbeza 44
4.2 Spektrum XRD bagi serbuk komersil NiO,
SDCC dan pelet anod komposit NiO-SDCC
dengan komposisi yang berbeza (a) NiO50-
SDCC50 dan (b) NiO70-SDCC30 selepas
dikalsin pada suhu yang berbeza dan disinter
pada suhu 600°C 46
4.3 Spektrum XRD serbuk anod komposit selepas
dikalsin pada suhu yang berbeza 48
4.4 Spektrum XRD pelet anod komposit selepas
disinter pada suhu 600°C 51
4.5 Spektrum FTIR samarium terdop seria karbonat
(SDCC) 58
4.6 Spektrum FTIR bagi serbuk anod komposit
NiO50-SDCC50 selepas dikalsin pada suhu
yang berbeza 59
4.7 Spektrum FTIR bagi serbuk anod komposit
NiO70-SDCC30 selepas dikalsin pada suhu
yang berbeza 61
4.8 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk NiO tulen 64
4.9 Mikrostruktur dan taburan saiz butiran bagi
serbuk SDCC selepas dikalsin pada suhu 680°C 64
4.10 Keliangan serbuk anod komposit (a)NiO50-
xiii
SDCC50 (b)NiO70-SDCC30 dengan 1,3,dan
5% berat Ag pada suhu kalsin yang berbeza 72
4.11 Purata ketumpatan serbuk anod komposit
(a)NiO50-SDCC50 (b)NiO70-SDCC30
dengan 1,3,dan 5% berat Ag pada suhu kalsin
yang berbeza 74
xiv
SENARAI SIMBOL
Β Lebar lengkap pada separa puncak maksimum
Karbonat
D Saiz kristalit
O2-
Ion oksigen
H2 Ion hydrogen
Rp Rintangan pengutuban
Wd Berat kering (Berat sampel sebelum tenggelam dalam medium)
Ww Berat basah (Berat sampel selepas ditenggelamkan dalam medium)
Ws Berat terampai (Berat sampel ketika tenggelam dalam medium
β Lebar garis pada separuh dari ketumpatan puncak
λ Panjang gelombang sinaran CuKα
θ Sudut belauan Bragg
σe Kekonduksian pukal daripada seramik logam tumpat sepenuhnya
σb Kekonduksian efektif
σf Keliangan
xv
SENARAI SINGKATAN
Singkatan Bahasa Inggeris Bahasa Melayu
Ag Argentum Argentum
ASR Area specific resistance Rintangan tentu luas
EVD Electrochemical vapor deposition Pengendapan wap elektrokimia
FESEM Field emission scanning electron Mikroskop elektron pengimbas
microscopy pancaran medan
FTIR Fourier transform infrared Inframerah transformasi fourier
HEBM High energy ball milling Pengisaran bebola bertenaga tinggi
Li2CO3 Sodium carbonate Natrium karbonat
LT-SOFC Low temperature SOFC SOFC bersuhu rendah
Na2CO3 Lithium carbonate Litium karbonat
NiO Nickel oxide Nikel oksida
OCV Open circuit voltage Voltan litar terbuka
SDC Samarium doped ceria Seria terdop samarium
SDCC SDC-carbonate SDC-karbonat
SOFC Solid oxide fuel cell Sel fuel oksida pepejal
TPB Triple phase boundary Sempadan tiga fasa
TEM Transmission electron microscopy Mikroskop elektron pancaran
TEC Thermal expansion coefficient Pekali penggembangan terma
TPB Triple phase boundary Sempadan tiga fasa
XRD X-ray diffraction Pembelauan sinar-X
YSZ Yttria-stabilized zirconia Zirkonia terstabil yttria
xvi
SENARAI LAMPIRAN
A Carta Gantt perancangan mingguan projek sarjana 1 95
B Carta Gantt perancangan mingguan projek sarjana 2 96
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Pengenalan
Bab ini menerangkan tentang kajian yang dilaksanakan dan dihurai dalam beberapa
bahagian subtopik kecil iaitu perbincangan mengenai latar belakang, pernyataan
masalah, dan objektif. Selain daripada itu, skop serta definisi pemboleh ubah kajian
juga turut dibincangkan. Latar belakang kajian merangkumi segala aspek yang
terlibat secara langsung atau tidak langsung di dalam kajian yang dilaksanakan bagi
mengupas tentang kajian ini. Pernyataan masalah pula menerangkan tentang faktor-
faktor yang mendorong kajian ini dilaksanakan hasil daripada masalah-masalah yang
timbul semasa kajian yang dijalankan sebelumnya. Selain daripada itu, objektif
kajian juga turut dibincangkan yang mana menyingkap tentang persoalan yang ingin
dicapai dan diketahui melalui kajian ini. Seterusnya, skop kajian menerangkan
tentang apa yang dinilai dan ingin di capai dalam kajian ini. Bab ini juga
membincangkan secara terperinci tentang pemboleh ubah yang terlibat di dalam
penghasilan jawapan kepada objektif yang ingin dicapai dan persoalan yang ingin
dijawab.
2
1.2 Latar belakang kajian
Sel fuel oksida pepejal (solid oxide fuel cell, SOFC) merupakan peranti elektrokimia
yang menukarkan secara langsung tindak balas tenaga kepada tenaga elektrik tanpa
proses pembakaran. Komponen asas SOFC terdiri daripada dua elektrod berongga
(katod dan anod) dan elektrolit (Jiang, 2012). Elektrod katod dan anod adalah bahagian
di mana tindak balas separa sel berlaku. Oksigen yang dibekalkan ke katod akan
bertindak balas dengan elektron daripada litar luar dan dioksidakan untuk membentuk
ion oksigen (O2-
). Ion-ion yang dioksidakan akan dipindahkan ke sebelah anod melalui
elektrolit pepejal menggunakan beban elektrik. Ion oksigen ini akhirnya bertindak balas
dengan hidrogen di dalam fuel untuk membentuk air dan elektron bebas. Elektron akan
mengalir melalui litar luar untuk menjana tenaga elektrik, dan kemudian mengalir
semula ke katod (Singhal & Kendall, 2003). Reaksi sel boleh ditulis seperti dalam
persamaan 1.1-1.3 (Fergus et al. 2009).
Rajah 1.1 : Prinsip asas operasi SOFC
(Rahman et al., 2012)
Katod (Penurunan) : ½ O2 (g) + 2e- → O
2- (1.1)
Anod (pengoksidaan) : O2-
+ H2 (g) → H2O (g) + 2e-
(1.2)
Keseluruhan sistem : H2 (g) + ½ O2 (g)→H2O (1.3)
3
Komponen-komponen sel fuel ini akan digabungkan menjadi stak dengan
rekabentuk tertentu bagi membentuk sistem SOFC yang lengkap. Prestasi keseluruhan
sel bergantung kepada setiap komponen. Konduksi ionik yang tinggi, ketiadaan
konduksi elektronik, kestabilan kimia, ketumpatan dan kekuatan mekanikal adalah ciri-
ciri penting bagi bahan elektrolit. Kekonduksian elektronik, keliangan dan juga
kestabilan kimia dan dimensi pula perlu dipertimbangkan bagi katod. Manakala pekali
pengembangan terma yang hampir dan kereaktifan kimia yang rendah adalah faktor
penting untuk antara muka elektrod/elektrolit.
Sama seperti katod, anod juga memerlukan kekonduksian elektrik, keserasian
pengembangan haba, dan keliangan. Lapisan anod seramik mesti sangat berliang untuk
membolehkan sel fuel mengalir ke elektrolit. Oleh sebab itu, jirim berbutir sering dipilih
untuk prosedur fabrikasi anod. Anod biasanya merupakan lapisan yang tebal dan kuat
dalam setiap sel individu, kerana ia mempunyai kehilangan kekutuban yang paling kecil,
dan merupakan lapisan yang sering menyediakan sokongan mekanikal. Secara
elektrokimia, fungsi anod adalah untuk menggunakan ion oksigen yang meresap melalui
elektrolit bagi mengoksidakan sel fuel hidrogen. Reaksi pengoksidaan antara ion-ion
oksigen dan hidrogen menghasilkan haba dan juga air dan elektrik. Jika fuel adalah
hidrokarbon ringan, contohnya metana, satu lagi fungsi anod adalah untuk bertindak
sebagai pemangkin bagi pembaharuan wap sel fuel menjadi hidrogen. Ini memberikan
satu lagi faedah operasi kepada stak sel fuel kerana tindak balas pembaharuan adalah
endotermik, yang menyejukkan lapisan stak secara dalaman (Julia et al., 2013).
Oleh itu, bahan-bahan dan mikrostruktur setiap komponen perlu dioptimumkan
untuk mencapai kecekapan maksimum. Prestasi sel keseluruhan adalah disebabkan
kekonduksian ionik elektrolit yang tinggi dan juga dari elektrod elektro-pemangkin yang
tinggi, terutamanya katod (Huang, Gao & Mao, 2010).
Baru-baru ini, terdapat minat yang semakin meningkat dalam membangunkan
SOFC kerana faedahnya. SOFC telah dianggap penting untuk aplikasi sel fuel pada masa
hadapan. Ini kerana SOFC bebas daripada pencemaran teknologi untuk menjana elektrik
pada kecekapan yang lebih tinggi berbanding daripada mana-mana jenis sel fuel
(Zabihian & Fung, 2009). Selain daripada sangat efisen, SOFC juga mempunyai
kelebihan dari segi kebolehpercayaan, fleksibiliti fuel dan modulariti serta mesra alam
4
sekitar. Ia juga menunjukkan toleransi yang tinggi untuk mengesan tahap kekotoran
dalam aliran gas (Zhong & Mi, 2004; Singhal, 2000).
1.2 Permasalahan kajian
SOFC yang beroperasi pada suhu yang agak tinggi (800°C-1000°C)
mengakibatkan masalah bahan yang serius. Suhu operasi yang tinggi membawa kepada
pemilihan bahan sel lain yang kritikal seperti elektrod dan antara sambungan, kos
pembuatan yang tinggi, dan degradasi prestasi SOFC itu. Ini menghadkan aplikasi
praktikal SOFC (Vol et al., 2007). Oleh itu, untuk pembangunan dan pengkomersilan
teknologi bersih dan mesra alam, suhu operasi mestilah lebih rendah daripada suhu
tradisional iaitu 700°C atau lebih rendah, supaya fleksibiliti dalam pemilihan bahan-
bahan boleh ditingkatkan, dan pelbagai logam atau bahan-bahan seramik dengan kos
yang lebih rendah boleh digunakan sebagai elektrod, antara sambungan, dan panca
rongga sistem SOFC dengan kestabilan yang lebih baik (Steel & Heinzel, 2001).
Anod konvensional SOFC biasanya menggunakan nikel (Nickel, Ni) dan
zirkonia terstabil yttria (yttria-stabilized zirconia, YSZ) elektrolit dan beroperasi pada
suhu antara 800°C-1000°C. Walau bagaimanapun, suhu operasi yang tinggi menghadkan
pemilihan bahan-bahan dan fleksibiliti komponen sel yang menyebabkan kos yang
tinggi untuk sistem SOFC. Walaupun Ni-YSZ sejenis seramik logam yang mempunyai
ciri-ciri yang sangat baik untuk pengoksidaan elektrokimia hidrogen, ia juga mempunyai
kelemahan rintangan pengutuban yang tinggi dan kestabilan redoks yang lemah pada
suhu rendah (<600°C) (Fukui et al., 2004; Costa-Nunes., 2005). Suhu operasi SOFC
yang tinggi juga menyebabkan degradasi elektrod dan elektrolit yang pantas dan
memerlukan masa permulaan dan penutupan yang lama bagi mengelakkan kejutan terma
dan kerosakan komponen (Steven, 2005). Oleh itu, adalah wajar untuk mengurangkan
suhu operasi SOFC pada julat suhu yang lebih rendah.
Pada masa kini penyelidikan dalam bidang SOFC banyak memberi tumpuan
kepada masalah menurunkan suhu operasi kepada suhu rendah (400°C-600°C).
Penurunan suhu operasi berpotensi untuk mengurangkan kos antara sambungan, panca
rongga, dan bahan-bahan kedap dapat dicapai (Ormerod, 2003). Walau bagaimanapun,
5
dengan penurunan suhu operasi SOFC, aktiviti pengurangan oksigen yang lebih tinggi
menjadi semakin penting. Selain daripada itu, kehilangan ohm elektrolit dan rintangan
penkutuban elektrod meningkat dengan ketara dengan penurunan suhu operasi, yang
menyebabkan penurunan prestasi besar (Fan et al., 2012). Oleh itu, pembangunan bahan-
bahan elektrod novel dan / atau mikrostruktur unik dengan prestasi yang tinggi dan
kestabilan yang mencukupi pada suhu rendah adalah kritikal untuk kejayaan
pengkomersilan teknologi SOFC.
Salah satu kaedah yang digunakan untuk meningkatkan prestasi anod adalah
dengan pengubahsuaian anod oksida dengan logam tulen seperti Pt, Pd, Ag dan Cu.
Walau bagaimanapun, logam ini terlalu mahal untuk aplikasi praktikal. Berbanding
dengan yang lain, Argentum (Ag) kelihatan merupakan pilihan yang sesuai. Ag adalah
jauh lebih murah daripada logam tulen yang lain, mempunyai aktiviti pemangkin yang
sangat baik untuk pengurangan oksigen kekonduksian elektrik yang tinggi dan, di
samping itu, berlakunya kekonduksian ion oksida dalam badan (Mosiałek et al, 2013;.
Sakitou et al, 2008). Walau bagaimanapun, takat lebur yang rendah Ag logam
menjadikannya sukar untuk digunakan kerana pensinteran yang mudah pada suhu yang
rendah (sekitar 700°C). Dalam usaha untuk mencegah pensinteran logam Ag, partikel
Ag perlu diagihkan dengan seragam dengan NiO-SDCC di dalam elektrod anod
komposit.
Isu utama untuk membangunkan sel fuel oksida pepejal bersuhu rendah (low
temperature solid oxide fuel cell, LT-SOFC) adalah penggunaan elektrolit yang
mempunyai kekonduksian ionik yang tinggi. Baru-baru ini, banyak kemajuan telah
dibuat dalam kajian LT-SOFC berdasarkan elektrolit filem nipis daripada ceria
berasaskan oksida, terutamanya Gd3+
atau sm3+
terdop CeO2 (GDC atau SDC) (Xia &
liu, 2001 ; Liu & Khor, 2006). Walau bagaimanapun, oksida berasakan seria-dalam
persekitaran anodik menunjukkan ciri-ciri kekonduksian bercampur ionik-elektronik,
hasil daripada pengurangan Ce 4+
untuk Ce3+
. Konduksian elektronik menimbulkan
penurunan ketara voltan sel, kuasa keluaran dan kecekapan, dan juga sifat mekanikal
yang rendah yang telah menjadi satu halangan untuk meningkatkan dan membina peranti
yang praktikal. Untuk mengatasi kelemahan yang disebabkan oleh kekonduksian
elektronik, bahan komposit berdasarkan terdop seria telah dibangunkan sebagai
6
elektrolit untuk SOFC (Zhu et al., 2003 ; Hu et al., 2006). Antaranya, seria-karbonat
komposit adalah elektrolit komposit yang paling biasa di mana sel ini telah dilaporkan
mencapai prestasi yang terbaik. Oleh itu, bahan ini sangat sesuai untuk aplikasi bagi LT-
SOFC (Huang et al, 2007).
Kerana operasi pada suhu rendah menyebabkan peningkatan dalam kehilangan
polarisasi kedua-dua anod dan katod serta kehilangan ohm dalam elektrolit, maka adalah
perlu untuk membangunkan elektrod yang prestasi tinggi untuk operasi LT-SOFC.
Logam nikel oksida logam dan samarium ceria didopkan (SDC) digunakan sebagai
bahan anod kerana nikel adalah pemangkin hidrogen pengoksidaan yang bagus serta
konduktor elektronik yang tinggi dan SDC mempunyai kekonduksian ion oksigen sangat
tinggi bergantung kepada jumlah samarium didopkan (Qi, Liu, & Wang, 2013).
Laporan mengenai bahan anod SOFC melibatkan komposisi, struktur mikro,
kekonduksian elektrik, dan ciri-ciri lain anod komposit serta kesannya terhadap prestasi
SOFC masih belum meluas. Oleh itu , kajian ini akan menghasilkan anod komposit NiO-
SDCC bagi penggunaan LT-SOFC dengan penambahan Argentum (Ag). Penambahan
Ag ke dalam anod komposit untuk operasi LT-SOFC diteliti dan seterusnya jumlah Ag
yang sesuai bagi anod komposit NiO-SDCC akan ditentukan.
1.3 Objektif kajian
Berdasarkan kepada permasalahan kajian yang telah dibincangkan dalam bahagian 1.2,
maka objektif kajian ini dijalankan adalah untuk:
1. Menghasilkan serbuk anod komposit nikel oksida-samarium terdop seria
karbonat-argentum (NiO-SDD-Ag) untuk LT-SOFC.
2. Menentukan hubungan antara komposisi NiO, komposisi argentum (Ag) dan
suhu pengkalsinan terhadap sifat fizikal, morfologi dan keserasian kimia anod
komposit NiO-SDCC.
7
1.4 Skop kajian
Skop kajian ini termasuk :
1. Serbuk komposit NiO-SDCC dihasilkan melalui kaedah pengisaran bebola basah
dengan kelajuan 550 rpm. Berdasarkan kajian yang terdahulu, tempoh pengisaran
selama 2 jam dengan kelajuan 550 rpm adalah sesuai untuk penghasilan serbuk
katod komposit (Gao et al., 2011) Tujuan pengisaran ini adalah untuk
mendapatkan campuran yang homogen dan serbuk yang bersaiz zarah nano.
2. Serbuk NiO dicampurkan serbuk elektrolit SDCC dengan nisbah berat NiO
terhadap berat SDCC ialah 50% berat : 50% berat dan 70% berat : 30% berat.
Amaun NiO dihadkan kepada 50%-70% berat kerana bahan dengan amaun NiO
kurang daripada 40% mempunyai sifat elektrik yang rendah. Penggunaan amaun
NiO yang tinggi pula mengurangkan sifat-sifat mekanik anod yang disebabkan
daripada peningkatan keliangan. Oleh itu, untuk mengekalkan sifat relatif
mekanikal yang tinggi untuk anod jumlah NiO dalam komposit NiO-SDCC tidak
lebih daripada 70% (Matula et al., 2008).
3. Kandungan karbonat di dalam elektrolit SDC adalah merujuk kepada kajian
lepas iaitu sebanyak 20% berat. Kandungan karbonat dalam elektrolit tidak boleh
melebihi 30% bagi mengelakkan nilai kekonduksian ionik elektrolit SDC
menurun (Rahman et al., 2012).
4. Serbuk Ag sebanyak 1, 3 dan 5% berat dicampur dengan serbuk komposit NiO-
SDCC melalui kaedah pencampuran bebola kering pada kelajuan yang rendah
iaitu 100 rpm. Tujuan pengisaran ini adalah untuk mendapatkan campuran yang
homogen.
5. Penghasilan pelet anod komposit NiO-SDCC-Ag adalah melalui kaedah
pembentukan sepenekanan ekapaksi dengan tekanan sebanyak 46 MPa. Tekanan
8
yang rendah akan menghasilkan keliangan yang optimum bagi elektrod. Lebih
besar tekanan yang digunakan, pengecutan adalah lebih cenderung untuk
meningkat (Jarot et al., 2012).
6. Suhu kalsin bagi serbuk anod komposit NiO-SDCC-Ag ialah 600°C, 700°C dan
800°C. Oleh kerana suhu peleburan Ag ialah 961°C, suhu yang lebih tinggi tidak
dipilih bagi mengelakkan pengaglomeratan Ag yang boleh menyekat laluan
pengangkutan gas oksigen (Mosialek et al., 2013). Pemilihan suhu ini juga dibuat
bagi melihat dengan lebih terperinci kesan suhu kalsin terhadap sifat fizikal dan
keserasian kimianya.
7. Sampel pelet disinter pada suhu 600°C. Pemilihan suhu ini adalah berdasarkan
kajian yang telah dilakukan oleh Jarot et al. (2011) yang mana telah di dapati
berpotensi sesuai untuk penghasilan anod komposit. Sampel anod komposit NiO-
SDCC tanpa Ag juga akan dihasilkan sebagai sampel rujukan.
8. Setelah serbuk dan pelet dihasilkan, sifat-sifat fizikal anod (keliangan dan
ketumpatan), mikrostruktur serta keserasian kimianya akan dikaji.
BAB 2
KAJIAN LITERATUR
2.1 Pengenalan
Pembangunan teknologi sel fuel yang semakin meningkat pada masa kini mendapat
perhatian banyak pihak kerana sel fuel merupakan peranti elektrokimia yang
menukarkan tindak balas gas fuel dan gas oksigen secara langsung kepada tenaga
elektrik melalui tindak balas kimia dengan kecekapan yang tinggi. Pada asasnya, sel fuel
terdiri daripada tiga komponen utama iaitu dua elektrod berliang dan dipisahkan oleh
elektrolit tebal dan pemangkin. Pengoksidaan berlaku pada anod (fuel atau elektrod
negatif), manakala tindak balas penurunan berlaku pada katod (oksigen atau elektrod
positif) (Ryan et al., 2009).
Sel fuel adalah sama dengan bateri dalam beberapa aspek. Ia mempunyai
elektrolit dan elektrod positif dan negatif, dan ia menjana elektrik arus terus melalui
tindak balas kimia. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa ciri yang menjadikan sel
fuel berbeza daripada bateri. Berbeza dengan bateri, sel fuel memerlukan bekalan fuel
dan oksida yang berterusan. Selain daripada itu, elektrod dalam sel fuel juga tidak
mengalami perubahan kimia. Bateri pula menghasilkan tenaga elektrik melalui tindak
balas elektrokimia yang melibatkan bahan yang sedia ada dalam bateri. Disebabkan
perkara ini, bateri boleh dinyahcas apabila bahan-bahan yang terlibat dalam tindak balas
elektrokimia habis. Sel fuel pula tidak boleh di nyahcas selagi bahan tindak balas, fuel
dan pengoksida dibekalkan. Bahan tindak balas yang biasa digunakan untuk sel fuel
adalah hidrogen dan oksigen (Frano, 2003).
10
Terdapat pelbagai jenis sel fuel dalam pelbagai peringkat pembangunan.
Pelbagai jenis sel fuel ini diklasifikasikan mengikut jenis bahan elektrolit yang
digunakan dalam sel dan ini termasuklah sel fuel proton pertukaran membran (proton
exchange membrane fuel cell, PEMFC), sel fuel alkali (alkaline fuel cell, AFC), sel fuel
asid fosforik (phosphoric acid fuel cell, PAFC), sel fuel karbonat lebur (molten
carbonate fuel cell, MCFC) dan sel fuel oksida pepejal (solid oxide fuel cell, SOFC)
(Marta et al., 2011).
Secara amnya, pilihan elektrolit menetapkan julat suhu operasi sel fuel. Suhu
operasi dan hayat sel fuel menentukan sifat-sifat fizikokimia dan termomekanikal bahan
yang digunakan dalam komponen sel iaitu, elektrod, elektrolit, antara sambung,
pengumpul semasa, dan sebagainya. Elektrolit akueus adalah terhad kepada suhu kira-
kira 200°C atau lebih rendah kerana tekanan wap yang tinggi dan degradasi yang pesat
pada suhu yang lebih tinggi. Suhu operasi juga memainkan peranan penting dalam
menetapkan tahap pemprosesan fuel yang diperlukan (Marta et al., 2011). .
Dalam sel fuel suhu rendah, semua fuel mesti ditukar kepada hidrogen sebelum
memasuki sel fuel. Di samping itu, pemangkin anod dalam sel fuel suhu rendah
(terutamanya platinum) adalah sangat dipengaruhi oleh CO. Dalam sel fuel suhu tinggi,
CO dan juga CH4 boleh ditukar secara dalaman kepada hidrogen atau secara langsung
teroksida secara elektokimia. Jadual 2.1 memberikan gambaran keseluruhan ciri-ciri
utama jenis sel fuel dan Rajah. 2.1 menggambarkan prinsip asas kelima-lima jenis sel
fuel yang telah disebutkan di atas (EG & G, 2004).
11
Jadual 2.1 : Ringkasan perbezaan utama jenis sel fuel (EG & G, 2004)
PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC
Elektrolit Terhidrasi
polimer ion
Pertukaran
Membran
Digerakkan
atau tidak
boleh bergerak
KOH
Cecair tidak
boleh
bergerak
H3PO4
Cecair lebur
Karbonat tidak
boleh bergerak
Seramik
Elektrod Karbon Logam
peralihan
Karbon Nikel dan Nikel
oksida
Perovskit dan
Perovskit /
logam seramik
logam
Pemangkin Platinum Platinum Platinum Bahan elektrod Bahan elektrod
Antarhubung Karbon /
Logam
Logam Grafit Keluli tahan
karat / Nikel
Nikel, seramik
atau keluli
Suhu operasi 40 – 80 °C 65–220 °C 205 °C 650 °C 600 –1000°C
Pembawa cas H+
OH– H
+
O
2-
Anod Pt pada
karbon
Pt, Logam
peralihan
Pt pada
karbon
Ni Ni/seramik
Katod
Pt pada
karbon
Pt, Logam
peralihan
Pt pada
karbon
NiO Perovskite
Pembaru luar
untuk fuel CH4
Ya Ya Ya Tidak Tidak
Pengurusan
produk Air
Penyejatan Penyejatan Penyejatan Produk bergas Produk bergas
Pengurusan
produk haba
Proses gas +
Penyejukan
Cecair
sederhana
Proses gas +
peredaran
elektrolit
Proses gas +
Penyejukan
cecair
sederhana
atau
penjanaan
stim
Pembentukan
semula dalaman
+ Proses gas
Pembentukan
semula dalaman
+ Proses gas
12
Rajah 2.1 : Prinsip asas pelbagai jenis sel fuel (EG & G, 2004)
Antara pelbagai jenis sel fuel, sel fuel pepejal oksida (SOFC) dianggap sebagai
peranti yang berpotensi untuk memenuhi keperluan kuasa yang semakin meningkat
dengan pesat bagi pembangunan masa depan masyarakat manusia dan untuk
mengurangkan penggunaan fuel fosil kerana fleksibiliti bahan api yang cemerlang ke
atas lain-lain jenis sel fuel. Pembangunan mengenai SOFC diterangkan dengan lebih
lanjut lagi pada bahagian yang berikutnya (Noriko, 2012).
Kebanyakkan aplikasi sel fuel adalah pada aplikasi mudah alih atau aplikasi
pegun (stationary) (Ormerod, 2003; Kordesch & Simader, 1996; Carrette, Friedrich &
Stimming, 2001). Aplikasi utama mudah alih termasuk sistem pengangkutan dan
peralatan mudah alih elektronik, manakala aplikasi pegun termasuk haba gabungan dan
sistem kuasa untuk keperluan komersial (Ormerod, 2003). Pada aplikasi pengangkutan,
pengeluar kereta terkemuka seluruh dunia telah membuat rekabentuk sekurang-
kurangnya satu prototaip kenderaan dengan menggunakan sel fuel. Di samping itu, sel
fuel miniatur boleh menggantikan bateri untuk produk elektronik seperti telefon bimbit,
komputer mudah alih, dan kamera video. Aplikasi pegun teknologi sel fuel adalah bagi
penjanaan gabungan elektrik dan haba, bangunan, dan kemudahan industri.
13
2.2 Pembangunan sel fuel oksida pepejal suhu rendah
Pembangunan SOFC suhu rendah (Low temperature soli oxide fuel cell, LT-SOFC) kini
merupakan kecenderungan dunia bagi pengkomersilan SOFC. Walau bagaimanapun,
penurunan suhu operasi menyebabkan rintangan dalam SOFC meningkat dengan ketara,
yang menyebabkan penurunan terhadap prestasi sel. Oleh itu, bagaimana untuk
mengurangkan rintangan dalaman SOFC merupakan kunci utama untuk LTSOFC.
Terdapat beberapa faktor yang membawa kepada rintangan dalaman SOFC. Pertama
sekali adalah disebabkan rintangan besar elektrolit, kerana kekonduksian ion oksigen
bahan elektrolit semasa yang rendah. Kedua, rintangan pengkutuban elektrod adalah
diperbesarkan dengan penurunan suhu, terutamanya katod (Brett et al., 2008).
Terdapat dua kaedah utama di mana SOFC boleh beroperasi pada suhu yang
rendah tetapi masih boleh mencapai prestasi yang setanding dengan teknologi suhu yang
lebih tinggi iaitu dengan mengubah ketebalan dimensi elektrolit. Ketebalan dimensi
elektrolit boleh dikurangkan kerana pengurangan kawasan rintangan tertentu sel fuel,
dan/atau pembangunan bahan-bahan boleh memberi keputusan yang sama dengan
meningkatkan kekonduksian ionik elektrolit pada suhu yang lebih rendah dan membawa
pembaharuan pada prestasi elektrod (Brett et al., 2008; Huijser & Schoonman, 2005).
Sejak kebelakangan ini, terdapat peningkatan yang besar dalam aplikasi teknologi filem
nipis ke atas SOFC untuk mengurangkan rintangan dalaman bagi mengurangkan suhu
operasi. Terdapat beberapa kelebihan mensintesis komponen elektrolit SOFC melalui
proses filem nipis. Antaranya ialah kehilangan ohm boleh dikurangkan, suhu pensinteran
juga turut boleh dikurangkan dan antara muka mudah dikawal. Dengan menggunakan
lapisan nipis elektrolit, elektrolit tidak lagi boleh menyokong sel mekanikal (Beckel et
al, 2007).
Sebaliknya anod/substrat biasanya digunakan untuk menyokong sel. Setakat ini
banyak kerja yang telah dilakukan untuk mendepositkan filem elektrolit yttria stabil
zirkonia (YSZ) menggunakan pelbagai teknologi filem nipis fizikal atau kimia, seperti
pemendapan elektroforetik (electrophoretic deposition-EPD) (Hosomi et al., 2007),
kaedah salutan spin (Chen et al., 2006), pemercikan frekuensi radio (radio-frequency-
RF) (Huang et al., 2007), pemendapan lapisan atom (atomic layer deposition-ALD)
14
(Shim et al., 2007), laser pemendapan berdenyut (pulsed laser deposition-PLD) (Kokai
et al., 1992), dan lain-lain. Walau bagaimanapun, masih terdapat beberapa kelemahan
pada kaedah ini seperti tempoh pengeluaran yang panjang, kos yang sangat tinggi,
kesukaran pada meningkatkan skala, dan juga kesukaran untuk mengawal filem
membesar, yang membuat ia sukar untuk merealisasikan pengkomersialan LT-SOFC.
Satu lagi kaedah yang praktikal untuk mengeksploitasi LT-SOFC adalah dengan
meneroka bahan anod yang serasi yang merupakan topik utama tesis ini dan akan
dibincangkan dalam bahagian berikutnya.
2.2.1 Nikel oksida-samarium terdop ceria karbonat (NiO-SDCC)
Seria didopkan telah dikaji sebagai elektrolit potensi untuk LT-SOFC memandangkan
kekonduksian ionik yang tinggi (Steele, 2000). Walau bagaimanapun, seria didopkan
mempamerkan campuran kekonduksian ionik dan elektronik dalam mengurangkan
atmosfera akibat penurunan sebahagian Ce4+
kepada Ce3+
. Konduksi elektronik
membawa kepada kehilangan voltan litar terbuka (open circuit voltage, OCV) dan
penurunan kuasa output sel. Tambahan pula, ia juga boleh menyebabkan perkembangan
kekisi elektrolit, menyebabkan ketidakstabilan mekanikal sel-sel. Antara bahan-bahan
komposit, komposit SDCC telah digunakan secara meluas sebagai elektrolit untuk LT-
SOFC dengan kepadatan kuasa yang sangat baik antara 400-600◦C (Huang et al., 2005).
Kajian ini dijalankan untuk menentukan kesesuaian anod komposit NiO-SDCC-Ag
untuk LT-SOFC.
2.3 Pembangunan bahan anod komposit
SOFC merupakan salah satu teknologi sel fuel yang terbaik disebabkan oleh fleksibiliti
berkenaan fuel. Walau bagaimanapun, SOFC juga mempunyai beberapa kelemahan iaitu
suhu operasi yang tinggi (800°C-1000°C) menghauskan (exhaust) bahan-bahan,
pengoksidaan elektrod berlaku melalui peredaran fuel dan isu kos yang merupakan isu
yang paling penting yang mempengaruhi kemungkinan untuk pengkomersialan bahan-
15
bahan. Manakala elektrod sel fuel boleh dipertimbangkan sebagai halangan teknikal
yang paling penting untuk pelaksanaan SOFC yang meluas (Abbas et al., 2012).
Isu-isu teknikal dan ekonomi ini boleh diselesaikan dengan memperkenalkan
bahan anod nanokomposit. Bahan elektrod merupakan sokongan asas yang
menyumbang kepada pemindahan elektron. Tetapi keserasian elektrolit juga merupakan
pendekatan sistematik utama untuk mendapatkan prestasi yang tinggi (Yang et al., 2008
; Jardeil et al., 2010). Keperluan yang paling biasa untuk bahan anodik SOFC adalah
kekonduksian elektrik yang sangat baik, aktiviti elektrokimia yang baik untuk
mengoksidakan fuel, keliangan yang sesuai dalam mikrostruktur, sifat haba, morfologi
elektrod dan juga keserasian elektrolit (Drozdz et al., 2012).
Selain daripada itu, masalah LT-SOFC boleh diatasi dengan pembangunan
bahan-bahan anod novel dengan prestasi yang sangat baik dan kestabilan dengan
pelbagai fuel termasuk hidrogen dan terutamanya hidrokarbon pada suhu pertengahan
atau rendah. Sama ada dengan mengubah keadaan anod berasaskan Ni, atau dengan
mengkaji seramik logam alternatif atau bahan-bahan berasaskan seramik.
2.3.1 Sifat-sifat bahan anod
Sama seperti katod, fungsi utama anod adalah untuk menyediakan tapak yang aktif
untuk pengoksidaan hidrogen sebagai sel fuel melalui pemangkinan tindak balas dan
memudahkan akses bahan api dan pembuangan produk. Oleh itu, anod yang digunakan
pada SOFC perlu memenuhi beberapa kriteria dibawah (Drozdz et al., 2012) :
1. Mempunyai kestabilan kimia dan mekanikal yang bagus dalam persekitaran
penurunan.
2. Mempunyai kekonduksian elektronik dan ionik yang tinggi.
3. Mempunyai struktur berliang.
4. Pekali pengembangan terma (Thermal expansion coefficient, TEC) yang hampir
sama dengan bahan-bahan elektrolit.
5. Aktiviti katalik yang tinggi.
16
Logam berharga seperti platinum, emas dan logam peralihan seperti besi dan
nikel (Ni) digunakan sebagai bahan anod untuk memenuhi kriteria ini pada suhu operasi
yang tinggi. Sebahagian besar SOFC menggunakan anod nikel kerana kos bahan yang
rendah berbanding dengan logam berharga. Penggunaan nikel sebagai anod telah banyak
diuji kerana kos yang rendah. Walau bagaimanapun, keliangan lapisan nikel
berkurangan pada suhu tinggi kerana degradasi dan menyebabkan akses sel fuel
terhalang (Pihlate et al., 2009)
Bahan-bahan anod yang paling biasa digunakan adalah seramik logam terdiri
daripada nikel dan elektrolit pepejal seperti Ni-YSZ dan Ni-SDC, yang bertujuan untuk
mengekalkan keliangan anod dengan mencegah pensinteran zarah Ni dan memberi anod
TEC yang setanding dengan pepejal elektrolit. Struktur anod dengan keliangan sebanyak
20% - 40% diperlukan untuk memudahkan peralihan jisim bahan tindak balas dan
produk gas (Horri et al., 2012). Kekonduksian anod bergantung kepada mikrostruktur,
terutamanya saiz dan taburan saiz zarah pepejal elektrolit dan zarah nikel serta
sambungan zarah nikel dalam seramik logam (Zhang et al., 2005).
2.3.2 Kaedah penghasilan serbuk anod komposit
Anod merupakan bahagian penting dalam SOFC kerana ia menyediakan tapak untuk
pengoksidaan elektrokimia fuel dan menyampaikan elektron yang dihasilkan kepada
antara sambungan. Kekonduksian elektrik ialah indek penting prestasi anod (Lee et al.,
2003).
Penyelidikan yang dijalankan sehingga kini membuktikan bahawa mikrostruktur
bahan amat bergantung kepada kaedah penyediaan tertentu. Apa yang lebih penting,
struktur mikro seramik logam mempengaruhi sifat mekanikal dan elektrik bahan (Sato et
al., 2009). Keperluan asas untuk struktur mikro bahan-bahan anod adalah
kesinambungan fasa dan panjang sempadan tiga fasa (Triple phase boundary - TPB)
yang sesuai. Yang pertama memastikan logam serta kekonduksian ionik, manakala yang
kedua adalah bertanggungjawab untuk aktiviti pemangkin berdasarkan kepada tindak
balas elektrokimia anod.
17
Mengawal mikrostruktur anod merupakan faktor yang paling penting dalam
meningkatkan prestasi sel. Mikrostruktur anod memberi kesan kepada pengangkutan gas
serta reaksi elektrokimia. Untuk sebab-sebab ini, usaha-usaha telah dibuat untuk
mengawal mikrostruktur anod dengan tepat. Struktur anod halus dengan susunan
seragam Ni, YSZ (yttria stabil zirkonia), dan fasa berliang dikenalpasti dapat
meningkatkan kereaktifan elektrokimia dan juga penyambungan elektrod berliang. Ia
diterima secara meluas bahawa penyediaan NiO /YSZ serbuk komposit adalah cara yang
berkesan untuk menghasilkan mikrostruktur anod yang lebih baik (Sato et al., 2009).
De Boer et al. (2000) pula menyatakan bahawa teknik penyediaan serbuk asal
boleh mempengaruhi panjang TPB. Aktiviti elektrokimia anod seramik logam sangat
bergantung kepada TPB yang terdiri daripada butiran Ni, butiran SDC dan liang. Ia
meningkat dengan panjang TPB yang semakin meningkat, kerana TPB yang besar
menyediakan kawasan permukaan tindak balas yang lebih besar (Fukui et al., 2004).
Oleh itu, panjang TPB merupakan faktor penting dalam meningkatkan prestasi anod.
Terdapat beberapa kaedah sintesis serbuk telah digunakan untuk menghasikan
bahan anod seperti tindak balas keadaan pepejal (solid state reaction), sepemendakan
(coprecipitation), proses sol-gel, semburan pirolisis, sintesis emulsi dan sintesis
hidroterma. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kelemahan yang tersendiri. Ciri
ciri kaedah ini adalah bahan-bahan yang disintesis mempunyai nanostruktur seragam
dan tahap keliangan yang tinggi tanpa keperluan menggunakan bekas liang. Setiap
kaedah juga mempengaruhi kekonduksian elektrik bergantung kepada sifat serbuk dan
tahap kekotoran.
Jun-Hoon et al. (2013) telah menyediakan komposit NiO/YSZ menggunakan
kaedah sepemendakan homogen dan rawatan hidroterma. Mereka mendapati bahawa
serbuk disediakan dengan menggunakan proses ini untuk meningkatkan prestasi sel
kerana boleh menghasilkan TPB terancang dan juga memberi sambungan Ni yang
berkesan. Di samping itu, mereka juga mendapati bahawa anod komposit NiO/YSZ
menunjukkan sifat-sifat elektrokimia yang unggul dengan mengukur ciri-ciri arus-voltan
(current-voltage, I-V curves) serta impedans spektrum. Sato et al. (2009) menunjukkan
bahawa perubahan dalam keadaan sintesis mempunyai pengaruh yang kuat ke atas
prestasi anod dan Pratihar et al (2005) pula menunjukkan bahawa kekonduksian elektrik
18
Ni/YSZ bahan seramik logam meningkat dengan mengurangkan tahap keliangan sampel
dan disiasat bagaimana penambahan bekas liang boleh mempengaruhi kekonduksian
bahan.
Beberapa artikel pula telah menghuraikan penghasilan nanopartikel YSZ melalui
kaedah sol-gel untuk digunakan dalam komponen SOFC. Contohnya, Suciu et al. (2008)
telah menghasilkan nanopartikel YSZ melaui kaedah sol-gel dengan sukrosa dan pektin
sebagai organik. Partikel yang diperolehi telah disifatkan dengan menggunakan
pembelauan sinar-X (X-ray diffraction, XRD), analisis terma (Thermal analysis, TA),
dan mikroskop elektron pancaran (Transmission electron microscopy, TEM). Semua
analisis yang dilakukan memberikan keputusan yang konsisten, dan menunjukkan
nanopartikel yang hampir seragam, saiz kecil, dengan struktur kristal padu, dan kualiti
yang sama sepenuhnya seperti yang dihasilkan dengan menggunakan prekursor organik
yang diketahui.
Fukui et al. (2002) pula telah mereka Ni-YSZ seramik logam anod untuk SOFC
pada pelbagai suhu pensinteran daripada NiO-YSZ zarah komposit yang dibuat melalui
teknik semburan pirolisis. Hasilnya, anod seramik logam yang disinter pada 1350°C
menunjukkan morfologi di mana bijirin YSZ halus adalah tersebar secara seragam pada
permukaan rangkaian bijirin Ni. Prestasi elektrik seperti aktiviti elektrokimia dan
rintangan dalaman Ni-YSZ seramik logam anod berubah dengan suhu pensinteran. Anod
yang difabrikasi pada 1350°C pula menunjukkan prestasi elektrik yang paling tinggi.
Terutamanya, voltan sel tunggal dengan Ni-YSZ seramik logam anod sangat stabil untuk
8000 jam pada 1000°C dalam keadaan operasi SOFC H2-3% H2O dan udara. Selepas
ujian jangka panjang, anod seramik logam mempunyai morfologi awal. Mereka
membuat kesimpulan bahawa Ni-YSZ seramik logam anod yang di fabrikasi daripada
NiO-YSZ zarah komposit adalah bahan yang sangat cerah untuk kegunaan praktikal
sebagai SOFC.
19
2.3.2.1 Kaedah tindak balas keadaan pepejal
Kaedah tindak balas keadaan pepejal merupakan kaedah pertama yang digunakan
untuk menyediakan serbuk seramik kerana pemilihan yang tinggi, hasil yang tinggi,
ketiadaan pelarut, dan kesederhanaannya (Panteix et al. 2004). Walau bagaimanapun,
kaedah ini memerlukan masa pengkalsinan yang panjang pada suhu tinggi dan
pengisaran berulang untuk mencapai kekonduksian elektrik serbuk yang tinggi. Proses
ini membawa kepada pencemaran melalui reagen atau kekotoran lain dan menyebabkan
aktiviti pemangkin dikurangkan adalah rendah, dan seterusnya menyebabkan
peningkatan rintangan tentu luas (area specific resistance, ASR) dan pengaliran elektrik
yang lemah.
Tindak balas keadaan pepejal selalunya sangat perlahan, dan dengan itu
memerlukan suhu yang tinggi untuk melengkapkan tindak balas. Kaedah ini merupakan
kaedah yang banyak digunakan oleh para penyelidik kerana ianya mudah digunakan
untuk penyediaan bahan oksida seramik. Biasanya, bahan-bahan permulaan
dicampurkan dalam pengisaran bebola batu akik selama beberapa jam sama ada melalui
pengisaran bebola kering atau pengisaran bebola basah menggunakan pelarut. Serbuk
campuran dikenakan kitaran pengisaran yang berulang, pembakaran, dan pengasahan
sehingga satu fasa diperolehi (Smart & Moore 2005).
Dalam proses pengisaran bebola, terdapat beberapa parameter yang akan
mempengaruhi sifat serbuk anod komposit yang dihasilkan. Parameter-parameter
tersebut ialah nisbah bebola dan serbuk, saiz bebola dan taburannya, kaedah pengisaran,
masa pengisaran dan halaju putaran (Gao et al., 2011). Kaedah pengisaran bebola telah
dikenalpasti boleh memberi kesan yang besar ke atas sifat-sifat serbuk seperti saiz zarah,
bentuk zarah dan kekerasan (Gao et al., 2011). Selain daripada proses pengisaran, suhu
kalsin yang digunakan juga turut merupakan parameter penting yang perlu diambil kira
dalam proses penghasilan serbuk anod komposit.
Jing Di et al. (2003) telah menghasilkan sel tunggal dengan elektrolit komposit
menggunakan NiO/elektrolit sebagai anod dan lithiated NiO/elektrolit sebagai katod.
Li2CO3 and Na2CO3 dicampur dengan nisbah kemolaran 52:48. Kemudian karbonat
eutektik dicampur dengan serbuk SDC pada nisbah berat 1:4 menggunakan kaedah
20
pengisaran bebola selama 5 jam di dalam medium alkohol. Campuran dikeringkan
dalam ketuhar pada 100°C selama 24 jam, dipanaskan pada 600°C selama setengah jam
di udara dan dibawa keluar dari ketuhar untuk penyejukan. Sel menunjukkan kuasa
ketumpatan maksimum adalah 590 mWcm-2
pada 600°C, dengan menggunakan
hidrogen sebagai fuel dan udara sebagai oksida. Tidak seperti sel-sel yang berdasarkan
konduktor ion oksigen tulen atau konduktor protonik tulen, OCV sel fuel SDC-karbonat
berkurangan dengan peningkatan kandungan air sama ada anodik atau gas masuk katod,
yang menunjukkan elektrolit adalah ionik (H+/O
2-) konduktor. Keputusan yang
diperolehi juga menunjukkan bahawa oksigen kekonduksian ionik menyumbang kepada
sebahagian besar daripada seluruh kekonduksian sel fuel.
2.4 Komponen anod komposit SOFC
Prestasi SOFC sangat bergantung pada struktur anod yang sebahagian besarnya adalah
ditentukan melalui kaedah fabrikasi. Di samping itu, tindak balas elektrokimia adalah
agak berbeza daripada tindak balas heterogen biasa dalam beberapa aspek (Gorte &.
Vohs, 2003). Oleh itu, adalah perlu untuk mempertimbangkan bagaimana anod
berfungsi pada skala mikroskopik (Wang et al., 2001 ; Horita et al.,2002). Adalah
diketahui umum bahawa tindak balas elektrokimia hanya boleh berlaku di TPB. TPB
didefinisikan sebagai tapak pengumpulan di mana semua ion oksigen konduktor
(elektrolit), elektron yang menjalankan fasa logam, dan fasa gas bertemu bersama-sama.
Gambarajah skematik kawasan di antara elektrolit dan anod di mana TPB wujud
ditunjukkan dalam Rajah 2.2
21
Rajah 2.2 : Gambar rajah skema sempadan tiga fasa anod Ni/YSZ
(Mcintosh & Gorte, 2004)
Jika terdapat pecahan dalam penyambungan dalam mana-mana salah satu
daripada tiga fasa, tindak balas tidak boleh berlaku. Jika ion dari elektrolit tidak dapat
mencapai tapak tersebut, atau jika molekul gas fasa fuel tidak dapat mencapai tapak ini,
atau jika elektron tidak boleh dikeluarkan daripada laman tapak ini, maka tapak ini tidak
boleh menyumbang kepada prestasi sel. Walaupun struktur dan komposisi dengan jelas
memberi kesan kepada saiz TPB, pelbagai kaedah teori dan eksperimen telah digunakan
untuk menganggarkan bahawa ia memendekkan tidak lebih daripada kira-kira 10 m dari
elektrolit ke dalam elektrod (Mcintosh & Gorte, 2004 ;Gorte &. Vohs, 2003).
Pada dasarnya, selagi penyebaran ion melalui elektrolit sebahagiannya
menghadkan prestasi, kepekatan ion berlebihan dalam fasa oksida daripada anod adalah
tidak penting. Konsep TPB mempunyai implikasi penting untuk pengoptimuman kedua-
dua anod dan katod. Keadaan elektrod sel fuel biasanya mempunyai mikro/nano-struktur
yang kompleks yang melibatkan elektronik saling hubung dan secara ionik menjalankan
fasa, fasa gas keliangan, dan permukaan pemangkin aktif (Wilson et al., 2006 ; Brandon
et al., 2003).
22
2.4.1 Kaedah pembentukan komponen anod
Untuk pengkomersilan SOFC, pengurangan kos masih menjadi isu utama. Pelbagai
strategi telah digunakan untuk mencapai pengurangan kos seperti penggunaan bahan-
bahan kurang mahal (contohnya, penyediaan serbuk melalui proses kos rendah),
pembangunan bahan-bahan baru yang membolehkan operasi pada suhu yang lebih
rendah, dan mengoptimumkan proses fabrikasi. Disebabkan prestasi anod sangat
bergantung pada kaedah fabrikasi daripada serbuk NiO, maka penyelidikan
mengenainya adalah perlu (Fergus et al., 2012).
Terdapat pelbagai jenis proses pembuatan seramik yang telah dipertimbangkan
untuk pembuatan komponen SOFC. Jenis pendekatan fabrikasi membuat tiada
perbezaan untuk lapisan elektrolit jika ketebalan selepas pensinteran adalah sama. Walau
bagaimanapun, prestasi elektrod sangat dipengaruhi oleh keadaan pemprosesan.
Teknik mudah untuk membentuk seramik basah seperti tuangan slip, lukisan
semburan, penyemperitan, tuangan kalendar dan pita adalah berdasarkan kepada
membentuk rangka komponen dengan membentuk pes atau penggantungan komponen
seramik dan bahan tambahan organik. Semua kaedah ini yang memerlukan pensinteran
selepas pembentukan adalah menarik kerana kos yang rendah dan berpotensi untuk skala
naik yang berkesan. Pembatasan umum adalah bahawa pensinteran dua bahan
bersentuhan memerlukan sedikit tindak balas pada antara muka untuk mendapatkan
melekat. Tambahan pula, sepadan penguncupan pensinteran dan TEC adalah kritikal
untuk mendapatkan bentuk-komponen yang berterusan. Teknik seperti pengendapan
wap fizikal (physical vapor deposition,PVD), pengendapan wap kimia dan elektrokimia
(chemical vapor deposition, CVD and electrochemical vapor deposition, EVD) dan
pengendapan ion rasuk boleh membentuk lapisan tebal dan dan tidak memerlukan
pensinteran berikutnya pada suhu yang lebih tinggi. Kelebihan ini perlu diseimbangkan
dengan kos, kerana proses yang memakan masa, peralatan vakum yang mahal dan
penjimatan skala naik adalah terhad (Søren Primdahl, 1999).
Untuk proses fabrikasi, pita kalendar, pita tuangan, salutan buburan dip, dan
EVD telah digunakan secara meluas untuk fabrikasi elektrod anod berfungsi atau anod
sokongan (Singh & Minh, 2004). Berbanding dengan teknologi lain, kos pelaburan
23
untuk peralatan EVD adalah lebih tinggi. Dalam kes sel-sel elektrolit-disokong, fabrikasi
elektrolit dan elektrod dikuasai oleh pita tuangan dan percetakan skrin, masing-masing
(Tietz et al., 2002). Kedua-dua proses fabrikasi adalah kaedah yang mantap dalam
industri elektroseramik dan skala naik mudah dilaksanakan. Untuk sel-sel anod-
disokong, substrat kebanyakannya dihasilkan oleh pita tuangan (Honegger et al, 1997 ;
Christie et al., 1997 ; Simwonis et al., 1999). Biasanya lapisan anod berfungsi dengan
tebal beberapa mikrometer kemudiannya didepositkan ke atas substrat untuk
meningkatkan prestasi elektrokimia.
Teknik pemendapan yang digunakan secara meluas untuk anod nipis, elektrolit
dan lapisan katod adalah percetakan skrin. Dalam beberapa kes, tuangan slip vakum
(Stover et al., 1999), semburan serbuk basah (Sammes et al., 1994), dan percetakan
buburan basah (Gardner, 2000) juga digunakan untuk pembentukan anod. Untuk
mengurangkan kos, Penjanaan Kuasa Siemens telah menunjukkan dua langkah yang
digunakan untuk kot 100-150 μm tebal nikel/YSZ atas lapisan elektrolit. Dalam langkah
pertama, serbuk buburan nikel digunakan ke atas elektrolit. Dalam langkah kedua, YSZ
ditanam di di sekitar zarah nikel menggunakan process EVD yang sama seperti yang
digunakan untuk mendepositkan elektrolit. Pemendapan daripada buburan Ni-YSZ ke
atas elektrolit diikuti oleh pensinteran juga telah menghasilkan anod yang setara dalam
prestasi seperti yang difabrikasi oleh proses EVD. Penggunaan proses bukan EVD ini
akan mengakibatkan pengurangan yang ketara dalam kos pembuatanSOFC (Singhal,
2000).
Pengisitepuan basah atau penyusupan ditunjukkan sebagai salah satu teknik yang
paling berkesan untuk fabrikasi sel dan pengoptimuman prestasi. Zhangbo et al.(2013)
membuat kesimpulan bahawa pengisitepuan basah atau penyusupan adalah pendekatan
yang berkesan untuk fabrikasi dan untuk mengoptimumkan anod SOFC untuk
mendapatkan prestasi dan kestabilan yang lebih tinggi. Spesies bersaiz nano adalah
diresapkan ke dalam rangka kerja anod poros untuk dua tujuan utama iaitu untuk
meningkatkan kekonduksian elektronik atau ion elektrod atau untuk meningkatkan
aktiviti pemangkin, atau kedua-duanya. Apabila kekonduksian terutamanya
kekonduksian elektronik anod adalah terlalu rendah, sepsis pegisitepuan bersaiz nano
seperti Ni, Cu dan LSCM perlu membentuk rangkaian berterusan atau sekurang-
24
kurangnya dapat menyambung zarah konduktif yang pada asalnya dipisahkan. Kajian
terdahulu juga turut menyatakan bahawa penggunaan Pd dan Pd/seria boleh
meningkatkan aktiviti pemangkin, dimana ia menjadi pemangkin yang paling berkesan
untuk kestabilan prestasi redoks dan keserasian komponen anod dan karbon atau
meningkatkan toleransi sulfur. Walau bagaimanapun, kos sebatian yang mengandungi
Pd atau Pd/seria adalah terlalu tinggi, menjadikan ia bukan pilihan utama untuk aplikasi
SOFC berskala besar (Zhangbo et al., 2013).
Walaupun proses yang berbeza digunakan untuk fabrikasi anod dan elektrolit
dalam SOFC, kriteria pemilihan utama untuk fabrikasi pada masa hadapan masih
merupakan aspek penting yang mengambil kira kos, potensi untuk automasi,
kebolehulangan dan ketepatan teknik yang berbeza (Tietz et al., 2002).
2.4.1.1 Kaedah penekanan ekapaksi
Kaedah penekanan ekapaksi biasanya merupakan pilihan untuk fabrikasi sel bersokong
anod SOFC yang digunakan dalam penyelidikan skala makmal. Biasanya, kaedah ini
tidak digunakan untuk fabrikasi berskala besar. Menurut penyelidikan Jared (2010),
faktor utama yang menjejaskan kekuatan awal kepadatan ialah kandungan lembapan,
dan daya penekanan. Daya yang berlebihan semasa pemadatan ialah retak bahagian tepi
manakala daya yang tidak mencukupi menyebabkan retak melalui badan cakera. Selain
daripada itu, Jared juga mendapati serbuk yang dipadatkan akan melekat pada acuan dan
ia akan berderai apabila dipadatkan semula pada hari lembap. Bukan sahaja kekuatan
awal terjejas semasa fabrikasi, tetapi prestasi SOFC juga boleh turut terjejas dengan
melaraskan tekanan pemadatan seperti yang dilihat dalam kajian oleh (Lee et al, 2004).
Dalam kajian mereka, mereka dapati keseimbangan antara kekonduksian dan
kebolehtelapan berlaku pada kira-kira 4MPa.
RUJUKAN
Abbas, G., Chaudhry, M.A., Raza, R., Singh, M., Liu, Q., Qin, H., & Zhu, B. (2012).
Study of CuNiZnGdCe-nanocomposite anode for low temperature sofc.
Nanoscience and Nanotechnology Letters, 4, 389–393.
Beckel, D, Bieberle-Huetter, A., Harvey, A., Infortuna, A., Muecke, U.P., Prestat, M.,
Rupp, J.L.M. & Gauckler, L.J.J. (2007). Thin films for micro solid oxide fuel
cells. Journal of Power Sources, 173, 325-345.
Bodén, A., Di, J., Lagergren, C., Lindbergh, G., & Wang, C. Y. (2007). Conductivity of
SDC and (Li/Na)2CO3 composite electrolytes in reducing and oxidising
atmospheres. Journal of Power Sources, 172(2), 520–529.
Boer, B.D., Gonzalez, M., Bouwmeester, H.J.M., & Verweij, H. (2000). The effect of
the presence of fine YSZ particles on the performance of porous nickel
electrodes. Solid State Ionics, 127(3-4), 269-276.
Brandon, N.P., Skinner, S., & Steele, B.C.H. (2003). Recent advances in materials for
fuel cells. Annual Review of Materials Research, 33, 183–213.
Brett, D.J.L, Atkinson, A., Brandon, N.P., & Skinner, S.J. (2008). Intermediate
temperature solid oxide fuel cells. Chemical Society Reviews, 37(8), 1568 -1578.
81
Camaratta, M., & Wachsman, E. (2007). Silver–bismuth oxide cathodes for IT-SOFCs;
Part I — Microstructural instability. Solid State Ionics, 178(19-20), 1242–1247.
Carrette, L., Friedrich, K.A., & Stimming, U. (2001). Fuel cells-fundamental and
applications. Physical Chemistry, 1(1), 5-39.
Chavan, A. U., Jadhav, L. D., Jamale, a. P., Patil, S. P., Bhosale, C. H., Bharadwaj, S.
R., & Patil, P. S. (2012). Effect of variation of NiO on properties of NiO/GDC
(gadolinium doped ceria) nano-composites. Ceramics International, 38(4), 3191–
3196.
Chen, Y., & Cheng, W.J. Wei (2006). Processing and characterization of ultra-thin
yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolytic films for SOFC. Solid State Ionics, 177,
351-357.
Chen, M., Kim, B. H., Xu, Q., & Ahn, B. G. (2009). Preparation and electrochemical
properties of Ni–SDC thin films for IT-SOFC anode. Journal of Membrane
Science, 334(1-2), 138–147.
Christie, G.M. & Huijsmans J.P.P. in: Stimming U, Singhal S.C, Tagawa H, & Lehnert
W (Eds.) (1997). Proceedings of the fifth international symposium on solid oxide
fuel cells (SOFC-V). The electrochemical society; Pennington, New Jersey. pp.
718.
Costa-Nunes, O., Gorte, R.J. & Vohs, J.M. (2005). Comparison of the performance of
Cu-CeO2–YSZ and Ni–YSZ composite SOFC anodes with H2, CO, and syngas.
Journal of Power Sources, 141(2), 241-249.
Drozdz, C.E., Wyrwa, J., Pyda, W., & Rekas M. (2012). A new method of preparing
Ni/YSZ cermet materials. Journal of Materials Science, 47(6), 2807-2817.
82
EG & G technical services (2004). Fuel cell handbook. West Virginia : EG & G
Technical services Inc. ms 7-12.
Fan, L., Chen, M., Wang, C., & Zhu, B. (2012). Pr2NiO4–Ag composite cathode for low
temperature solid oxide fuel cells with ceria-carbonate composite electrolyte.
International Journal of Hydrogen Energy, 37(24), 19388–19394.
Fergus, J.W., Hui R., Li X., Wilkinson D.P. & Zhang J (2009). Solid oxide fuel cells
materials properties and performance. New York: CRC Press.
Frano Barbir (2013). PEM fuel cells: Theory and practice. Oxford, London : Academic
press.copyright. ms 3-4.
Fukui, T., Ohara, s.,Naito, M. & Nogi, K. (2002). Performance and stability of SOFC
anode fabricated from NiO–YSZ composite particles. Journal of Power Sources,
110(1), 91–95.
Fukui, T., Murata, K., Ohara, S., Abe, H., Naito, M.,& Nogi, K. (2004). Morphology
control of Ni-YSZ cermet anode for lower temperature operation of SOFCs.
Journal of Power Sources, 125(1), 17-21.
Gardner, F.J., Day, M.J., Brando,n N.P., Pashley, M.N., & Cassidy, M. (2000). SOFC
technology development at Rolls-Royce. Journal of Power Sources, 86(1-2),
122–129.
Gao, D., Zhao, w., J., Ran, R., & Shao, Z. (2011). Influence of high-energy ball milling
of the starting powder on the sintering; microstructure and oxygen permeability
of Ba0.5Sr0.5Co0.5Fe0.5O3−δ membranes. Journal of Membrane Science, 366, 203-
211.
83
Gorte, R.J. & Vohs, J.M, (2003). Novel SOFC anodes for the direct electrochemical
oxidation of hydrocarbons. Journal of Catalysis, 216(1-2), 477–486.
Hamimah A.R, Andanastuti M, Norhamidi M, & Huda A (2013). La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-
δ—SDC carbonate composite cathodes for low-temperature. Materials Chemistry
and Physics, 141, 752-757.
Honegger, K., Batawi, E., Sprecher, C., & Diethelm, R., dalam : Stimming, U., Singhal,
S.C., Tagawa, H., & Lehnert, W. (Eds.)( 1997). Proceedings of the fifth
international symposium on solid oxide fuel cells (SOFC-V). The
Electrochemical society; Pennington, New Jersey. pp. 321.
Hongxing, H. & Meilin, L.(1996). Silver-BaCe0.8Gd0.203 composites as cathode materials
for SOFCs Using BaCeO3-based electrolytes. Journal of Electrochemical
Society, 143(3), 859-863.
Horita, T., Yamaji, K., Sakai, N., Xiong, Y., Kato, T., Yokokawa, H., & Kawada, T.
(2002). Imaging of oxygen transport at SOFC cathode/electrolyte interfaces by a
novel technique. Journal of Power Sources, 106, 224–230.
Horri, B.A., Selomulya, C. & Wang, H. (2012). Characteristics of Ni/YSZ ceramic
anode prepared using carbon microspheres as a pore former. International
Journal of Hydrogen Energy 37(2), 15311-15319.
Hosomi, T., Matsuda, M., & Miyake, M. (2007). Electrophoretic deposition for
fabrication of YSZ electrolyte film on non-conducting porous NiO-YSZ
composite substrate for intermediate temperature SOFC. Journal of European
Ceramic Society, 27, 173-178.
84
Hu, H., & Liu, M. (1996). Silver-BaCe0.8Gd0.203 composites as cathode materials for
sofcs using baceo3-based electrolytes. Journal of Electrochemical Society, 143(3),
859-854.
Hu, J.D., Tosto, S., Guo, Z.X., & Wang, Y.F., (2006). Ethanol electro-oxidation on
carbon-supported Pt, PtRu and Pt3Sn catalysts: A quantitative DEMS study.
Journal of Power Sources, 154 (1), 106.
Huang, J.B., Mao, Z.Q., Yang, L.Z., & Peng, R.R. (2005). SDC-Carbonate composite
electrolytes for low-temperature SOFCs. Electrochemical Solid State Letter, 8(9),
A437–A440.
Huang, H., Nakamura, M., Su, P., Fasching, R., Saito, Y., & Prinz, F.B.J. (2007). High-
performance ultrathin solid oxide fuel cells for low-temperature operation. Journal
of Eectrochemical Society, 154(1), B20-B24.
Huang, J., Mao, Z., Liu, Z., & Wang, C. (2007). Development of novel low-temperature
SOFCs with co-ionic conducting SDC-carbonate composite electrolytes.
Electrochemistry Communications, 9(10), 2601–2605.
Huang, J., Mao, Z., Liu, Z., & Wang, C. (2008). Performance of fuel cells with proton-
conducting ceria-based composite electrolyte and nickel-based electrodes. Journal
of Power Sources, 175(1), 238–243.
Huang, J., Gao, Z.. & Mao, Z. (2010). Effects of salt composition on the electrical
properties of samaria-doped ceria/carbonate composite electrolytes for low-
temperature SOFCs. International Journal of Hydrogen Energy, 35(9), 4270-
4275.
85
Huang, J., Xie, F., Wang, C., & Mao, Z. (2012). Development of solid oxide fuel cell
materials for intermediate-to-low temperature operation. International Journal of
Hydrogen Energy, 37(1), 877–883.
Huijser, A. & Schoonman (2005). Materials for intermediate-temperature solid oxide
fuel cells and for proton exchange membrane fuel cells. Journal of
Environmental Engineering and Management, 4(3), 293 -305.
Itoh, H., Yamamoto, T., Mori, M., Horita, T., Sakai, N., Yokokawa, H. & Dokiya, M.
(1997). Configurational and electrical behavior of Ni-YSZ cermet with novel
microstructure for solid oxide fuel cell anodes. Journal of Electrochemical
Society, 14(2), 641-646.
Jardiel, T., Caldes, M.T., Moser, F., Hamon, J., Gauthier, G. & Joubert, O. (2010). New
SOFC electrode materials: The Ni-substituted LSCM-based compounds
(La0.75Sr0.25)(Cr0.5Mn0.5 − xNix)O3 − δ and (La0.75Sr0.25)(Cr0.5 − xNixMn0.5)O3 – δ.
Solid State Ionics, 181(19-20), 894-901.
Jared R. M. (2010). Fabrication and analysis of compositionally graded functional
layers for solid oxide fuel cells. Wright State University. Thesis of master's
degree.
Jarot, R., Andanastuti, M., Wan Ramli, W. D., Norhamidi, M., & Edy Herianto, M.
(2010). Fabrication of Dense Composite Ceramic Electrolyte SDC-(Li/Na)2CO3.
Key Engineering Materials, 447-448, 666–670.
Jarot, R., Muchtar, A., Wan Daud, W. R., Muhamad, N., & Majlan, E. H. (2011). Porous
NiO-SDC carbonates composite anode for LT-SOFC applications produced by
pressureless sintering. Applied Mechanics and Materials, 52-54, 488–493.
86
Jarot, R., Muchtar, A., Wan Daud, W. R., Muhamad, N., & Majlan, E. H. (2012).
Pencirian fizikal dan terma komposit seramik Elektrolit. Sains malaysiana, 41(1),
95–102.
Jing, D., Mingming, C., Chengyang, W., Jiaming, Z., Liangdong, F., & Bin, Z. (2010).
Samarium doped ceria–(Li/Na)2CO3 composite electrolyte and its
electrochemical properties in low temperature solid oxide fuel cell. Journal of
Power Sources, 195, 4695–4699.
Jiang, S.P. (2012). Nanoscale and nano-structured electrodes of solid oxide fuel cells by
infiltration: Advances and challenges. International Journal of Hydrogen Energy
37 (1), 449-470.
Julia, o., Benjamin, V., Yixiang, G., Robert, M., & Marc K. (2013). A micromechanical
model for effective conductivity in granular electrode structures. Acta Mechanica
Sinica, 29(5), 682–698.
Kawada, T., Sakai, N., Yokokawa, H., Dokiya, M., Mori, M. & Iwata, T. (1990).
Characteristics of slurry‐coated nickel zirconia cermet anodes for solid oxide fuel
cells. Journal of Electrochemical Society, 137(10), 3042-3047.
Kawada, T., Sakai N., Yokokawa, H., Dokiya, M., Mori, M. & Iwata, T. (1990).
Structure and polarization characteristics of solid oxide fuel cell anodes. Solid
State Ionics, 40-41(1), 402-406.
Kilius, L. B. (2009). Effect of carbonate addition on cobaltite cathode performance.
Queen‟s University, Canada. Thesis degree of doctor of philosophy.
Kokai, F., Amano, K., Ota, H., Ochiai, Y. & Umemura, F. (1992). XeCl laser ablative
deposition and characterization of yttria‐stabilized zirconia thin films on glass
and CeO2‐Sm2O3. Journal of Applied Physics, 72(2), 699.
87
Kordesch, K. & Simader, G. (1996). Fuel Cell and their applications. New York : VCH
Publishers Inc. ms 151-290
Lee, J.H., Heo, J.W., Lee, D.S., Kim, J., Kim, G.H., Lee, H.W., Song, H.S., & Moon,
J.H. (2003). The impact of anode microstructure on the power generating
characteristics of SOFC. Solid State Ionics, 158, 225-232.
Lee, D.S., Lee, J.H., Kim, J., Lee, H.W. & Song, H.S. (2004). Tuning of the
microstructure and electrical properties of SOFC anode via compact pressure
control during forming. Solid State Ionics, 166(1-2), 13-17.
Lide, D.R (2005-2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics 8th
ed. CRC Press,
Taylor & Francis, Boca Raton, FL 2005, 4-70.
Liu, Q.L., Khor, K.A., & Chan, S.H. (2006). High-performance low-temperature solid
oxide fuel cell. Journal of power sources, 161(1), 123.
Liou & Worrell, W. L. (1989). Proceedings of 1st international symposium on SOFC.
The electrochemical society proceedings series. Pennington, NJ : Singhal, S. C.
pp.81.
Marta, S. Basualdo, Diego F., & Rachid O. (2011). PEM fuel cells with bio-ethanol
processor systems: a multidisciplinary study of modeling, simulation, fault
diagnosis and advanced control. Springer. Copyright. ms 6.
Matula, G., Jardiel, T., Jimenez, R., Levenfeld, B., & Várez, A. (2008). Microstructure ,
mechanical and electrical properties of Ni-YSZ anode supported solid oxide fuel
cells. Achieve of Materials Science and Engineering, 32(1), 21–25.
Mclntosh, S. & Gorte, R.J. (2004). Direct hydrocarbon solid oxide fuel cells. Chemical
Reviews, 104, 4845–4865.
88
Mosialek, M., Tatko, M., Dudek, M., Bielańska, E., & Mordarski, G. (2013). Composite
Ag-La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ cathode material for solid oxide fuel cells, preparation
and characteristic. Archives of Metallurgy and Materials, 58(4), 8–12.
Muhammed Ali, S.A., Muchtar, A., Muhamad, N. & Sulong A.B. (2011). A review on
preparation of SDC-carbonate as composite electrolyte material for intermediate
temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC). Conference on clean energy and
technology CET. Pp. 394-399.
Muhammed, S.A., Ali, Muchtar, A., Sulong, A.B., Muhamad, N. & Majlan, E.N. (2013).
Influence of sintering temperature on the power density of samarium doped-ceria
carbonate electrolyte composites for low-temperature solid oxide fuel cell.
Ceramics International, 39, 5813–5820.
Muranaka, M., Sasaki, K., Suzuki, A. & Terai T. (2009). LSCF–Ag cermet cathode for
intermediate temperature solid oxide fuel cells. Journal of Electrochemical Society,
156(6), B743-B747.
Needham, S.A., Wang, G.X., Konstantinov, K., Tournayre, Y., Lao, Z. & Liu, H.K.
(2006). Electrochemical performance of Co3O4–C composite anode materials,
Electrochemical and Solid-State Letters, 9(7), A315-A319.
Noriko Hikosaka Behling (2012). Fuel cells: current technology challenges and future
research needs. Netherlands : Newnes. Copyright. ms 12.
Ormerod R. M. (2003). Solid oxide fuel cells. Chemical Society Reviews, 32(1), 17-28.
Park, S., Vohs, J.M. & Gorte, R.J. (2000). Direct oxidation of hydrocarbons in a solid-
oxide fuel cell. Nature, 404, 265-267.
89
Pihlatie, Ramos, M., & Kaiser, T. (2009). Testing and improving the redox stability of
Ni-based solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources, 193(1), 2322-330.
Pratihar, S.K., Dassharma, A., & Maiti, H.S. (2005). Processing microstructure property
correlation of porous Ni-YSZ cermet anode for SOFC application. Material
Research Bulletin, 40(11), 1936–1944.
Qi, L. J., Liu, W. Y., & Wang, H. Y. (2013). Influence of Size of NiO-SDC on the
electrochemical properties for SOFC Anodes. Advanced Materials Research, 798-
799, 120–124.
Rahman, H. A., Muchtar, A., Muhamad, N., & Abdullah, H. (2012). Structure and
thermal properties of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ–SDC carbonate composite cathodes
for intermediate-to low-temperature solid oxide fuel cells. Ceramics International,
38(2), 1571–1576.
Raza, R., Wang, X., Ma, Y., Liu, X., & Zhu, B. (2010). Improved ceria–carbonate
composite electrolytes. International Journal of Hydrogen Energy, 35(7), 2684–
2688.
Ryan, O., Suk-Won, C., Whitney, C. & Fritz, B.P. (2009). Fuel cell fundamentals. John
wiley & sons, INC.ms 576.
Sakitou, Y., Hirano, a., Imanishi, N., Takeda, Y., Liu, Y., & Mori, M. (2008).
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O0.3-Ag composite cathode for intermediate-temperature solid
oxide fuel cells. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 5(3), 031207.
Sammes, N.M., Brown, M.S., & Ratnaraj, R. (1994). Wet powder spraying of a cermet
anode for a planar solid oxide fuel cell system. Journal of Materials Science
Letters, 13(15), 1124–1126.
90
Sato, K., Okamoto, G., Naito, M. & Abe, H. (2009). NiO/YSZ. Nanocomposite particles
synthesized via co-precipitation method for electrochemically active Ni/YSZ
anode. Journal of Power Sources, 193(1), 185–188.
Shim, J.H., Chao C., Huang, H., & Prinz, F.B. (2007). Atomic layer deposition of Yttria-
stabilized Zirconia for solid oxide fuel cells. Journal of Chemistry of Materials,
19(15), 3850-3854.
Sids, O., Carbonate, S., & Publications, U. (n.d.). introduction sodium carbonate cas N
° : 497-19-8, 1–85.
Simwonis, D., Thulen, H., Dias, F.J., Naoumidis, A. & Stover, D. (1999). Properties of
Ni/YSZ porous cermets for SOFC anode substrates prepared by tape casting and
coat-mix process. Journal of Material Processing Technology, 92-93, 107–111.
Singhal, S.C. & kendall, k. (2003). High temperature solid oxide fuel cells:
Fundamentals, design and applications. Oxford, London: Elsevier copyright. ms.
1-2.
Singhal S.C. (2000). Advances in solid oxide fuel cell technology. Solid State
Ionics,135, 305–313.
Singh, P. & Minh, N.Q. (2004). Solid Oxide Fuel Cells: Technology Status.
International Journal of Applied Ceramic Technology, 1(1), 5–15.
Skalar, T., Zupan, K., Marinšek, M., Novosel, B., & Maček, J. (2014). Microstructure
evaluation of Ni–SDC synthesized with an innovative method and Ni–SDC/SDC
bi-layer construction. Journal of The European Ceramic Society, 34(2), 347–354..
91
Song, J.H., Park, M.Y., Park, H.W. & Lim, H.T. (2013). Single-step preparation of
nano-homogeneous NiO/YSZ composite anode for solid oxide fuel cells. Nano-
Micro Letters, 5(2), 111-116.
Søren Primdahl (1999). Nickel/yttria-stabilised zirconia cermet anodes for solid oxide
fuel cells. University of Twente. Thesis of PhD.
Steel B.C.H (2000). Appraisal of Ce1−yGdyO2−y/2 electrolytes for IT-SOFC operation at
500°C. Solid State Ionics, 129(1-4), 95–110.
Steele B.C.H and Heinzel A (2001). Materials for fuel-cell technologies. Nature, 414
(6861), 345-352.
Steven S.C.C. (2005). Catalysis of solid oxide fuel cells. Catalysis, 18(1), 186-198.
Stover D, Diekmann U, Flesch U, Kabs H, Quadakkers W.J, Tietz F, and Vinke I.C, in:
S.C. Singhal &M. Dokiya (Eds.) (1999). Proceedings of the Sixth International
Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-VI). The Electrochemical Society;
Pennington, New Jersey. pp. 813.
Suciu, C., Alex, C.. Hoffmann & Pawel Kosinski (2008). Obtaining YSZ nanoparticles
by the sol-gel method with sucrose and pectin as organic precursors. Materials
Processing Technology, 202(1-3), 316–320.
Suwanwarangkul, R., Croiset, E., Fowler, M., Douglas, P., Entchev, E., & Douglas M.
Performance comparison of Fick's, dusty-gas and Stefan-Maxwell models to
predict the concentration overpotential of a SOFC anode. Journal of Power
Sources, 122, 2003, 9-18.
Tietz, F., Buchkremer, H.P. & Stover, D. (2002). Components manufacturing for solid
oxide fuel cells. Solid State Ionics, 152-153, 373–381.
92
Tintinelli, .A, Rizzo, C. & Giunta, G. (1994). Ni-YSZ porous cermets : microstructure
and electrical conductivity. Proceedings of the first European solid oxide fuel
cell forum. Lucerne; Switzerland. pp. 455-464.
V.A.C. Haanappel, D. Rutenbeck, A. Mai, S. Uhlenbruck, D. Sebold, H.Wesemeyer, B.
Röwekamp, C. Tropartz, and F. Tietz (2004). The influence of noble-metal-
containing cathodes on the electrochemical performance of anode-supported
SOFCs. Journal of Power Sources, 130, 119–128.
Vol, R. M., Jigui, C., Liping, D., Ping, S. H. I., & Guangyao, M. (2007). Properties and
microstructure of NiO / SDC materials for SOFC anode applications. Rare Metals,
26(2), 110–117.
Vollath, D, Szab, DV, & Hau, J. (1997). Synthesis and properties of ceramic
nanoparticles and nanocomposites. Journal of European for Ceramic Society,
17(11), 1317–24.
Wang, X., Nakagawa, N. & Kato, K. (2001). Anodic polarization related to the ionic
conductivity of zirconia at ni-zirconia/zirconia electrodes. Journal of
Electrochemical Society, 148(6), A565–A569.
Wilson, J.R., Kobsiriphat, W., Mendoza, R., Chen, H.Y., Hiller, J.M., Miller, D.J.,
Thornton, K., Voorhees, P.W., Adler, S.B. & Barnett, S.A. (2006). Three-
dimensional reconstruction of a solid oxide fuel-cell anode . Journal of Nature
Material, 5, 541–544.
Wang, Y., Walter, M.E., Sabolsky, K. & Seabaugh, M.M. (2006). Effects of powder
sizes and reduction parameters on the strength of Ni-YSZ anodes. Solid State
Ionics, 177(17-18), 1517-1527.
93
Xia, C. & Liu M. (2001). Low-temperature SOFCs based on Gd0.1Ce0.9O1.95–δ (GDC)
fabricated by dry pressing. Solid State Ionics, 144 (3), 249-255.
Yang, L., Zuo C., Wang, S., Cheng, Z., & Liu, M. (2008). A Novel composite cathode
for low-temperature sofcs based on oxide proton conductors. Advanced
Materials 20(17), 3280- 3283.
Young, M.K. & Gyeong M.C. (1999). Microstructure and electrical properties of YSZ–
NiO composites, Solid State Ionics, 120, 265–274.
Zabihian, F. & Alan, F. (2009). A Review on modeling of hybrid solid oxide fuel cell
systems. International Journal of Engineering, 3(2), 85-119.
Zhang, Y., Liu B., Tu, B., Dong, Y. & Cheng, M. (2005). Redox cycling of Ni- YSZ
anode investigated by TPR technique. Solid State Ionics, 176(29-30), 2193-2199.
Zhangbo, L., Beibei, L., Dong, D., Mingfei, L., Fanglin, C. & Changrong, X., (2013).
Fabrication and modification of solid oxide fuel cell anodes via wet
impregnation/ infiltration technique. Journal of Power Sources, 237, 243-259.
Zhao, F. & Virkar, A (2005). Dependence of polarization in anode-supported solid oxide
fuel cells on various cell parameter. Journal of Power Sources, 141, 79-95.
Zhong, W.Z. and Mi, Y. (2004). Perspectives on the metallic interconnects for solid
oxide fuel cells. Journal of Zhejiang University Science, 5(12), 1471-1503.
Zhu, B., Liu, X.R., Zhou, P., Yang, X.T., Zhu, Z.G. & Zhu, W. (2001). Innovative solid
carbonate–ceria composite electrolyte fuel cells. Electrochemistry
Communication, 3(10), 566-571.
94
B. Zhu (2003). Functional ceria-salt-composite materials for advanced ITSOFC
applications. Journal of Power Sources, 114, 1-9.
Zhu, B. Yang, X.T., Xu, J., Zhu, Z.G, Ji, S.J., Sun, M.T. & Sun, J.C. (2003). Innovative
low temperature SOFCs and advanced materials. Journal of Power Sources,
118(1), 47.
top related