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.