Teknologi sel bahan bakar (fuel cell) menawarkan tenaga listrik yang bersih, efisien, andal untuk hampir semua perangkat yang membutuhkan tenaga listrik. Fuel cell digunakan dalam berbagai aplikasi portabel, stasioner, dan transportasi, mulai dari pengisi baterai, pemanas rumah, dan listrik mobil. Fuel cell merupakan peralatan konversi energi (mesin) yang cocok diterapkan sebagai energi alternatif untuk kendaraan modern sebagai teknologi hijau. Berbeda dengan mesin berbasis minyak dan gas alam, fuel cell dengan hidrogen tidak menghasilkan emisi carbon. Pengembangan kendaraan fuel cell menjadi konsentrasi produsen otomotif untuk mendorongnya sebagai kendaraan komersial.
Fuel cell adalah suatu perangkat konversi energi yang bekerja seperti baterai, dimana keduanya menghasilkan listrik dari proses reaksi elektrokimia. Baik fuel cell maupun baterai mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Selama proses reaksi berlangsung juga menghasilkan energi lain dalam bentuk kalor. Contoh susunan fuel cell disajikan dalam Gambar 1, dimana hidrogen akan bereaksi dengan oksigen dengan bantua katalis untuk menghasilkan muatan listrik.
Gambar 1 Konsep dasar fuel cell
Baterai menyediakan listrik dalam kapasitas tertentu dan ketika muatan listrik habis atau berkurang dapat dilakukan pengisian (re-charging) melalui sumber listrik eksternal untuk mendorong reaksi elektrokimia dalam arah sebaliknya. Di sisi lain, fuel cell hanya dapat bekerja jika ada suplai energi kimia dari luar dan dapat bekerja tanpa batas jika suplai energi kimia tidak diputus.
Hidrogen (H2) dan Oksigen (O2) adalah dua jenis sumber kimia sebagai energi pemasok pada fuel cell. Hidrogen umumnya disebut sebagai bahan bakar, meskipun tidak ada reaksi pembakaran yang terjadi ketika tidak ada oksigen. Selama oksidasi, atom hidrogen bereaksi dengan atom oksigen untuk membentuk air dengan sangat efiesien. Selama proses, elektron dilepaskan dan mengalir melalui sirkuit eksternal dan menghasilkan arus listrik.
Fuel cell memiliki variasi model dan sistem kerja yang beragam, mulai dari perangkat kecil yang memproduksi listrik hanya beberapa watt, sampai ke pembangkit listrik besar yang mampu memproduksi listik dalam kapasitas megawatt. Namun demikian, semua fuel cell tetap berbasis pada desain dasar, yaitu proses elektrokimia menggunakan dua buah elektroda yang dipisahkan oleh elektrolit yang membawa partikel bermuatan listrik. Untuk mempercepat reaksi pada kedua elektroda, pada fuel cell ditambahkan dengan katalis.
Mekanisme Kendaraan Fuel Cell
Kendaraan fuel cell (FCV) mengambil energi dari sel bahan bakar yang menghasilkan energi listrik melalui reaksi kimia antara hidrogen (salah satunya) dan oksigen. Listrik yang dihasilkan disuplai ke motor listrik untuk menggerakkan kendaraan. Hidrogen yang digunakan diambil dari tabung yang dipasok dari stasiun pengisian layaknya stasiun bensin, CNG, atau LPG (Lihat Gambar 2).
Fuel cell untuk Light Duty Vehicle (LDV) sejauh ini telah digunakan meskipun dalam skala terbatas dan sebagian besar produsen otomotif telah menargetkan untuk penjualan komersial. Kendaraan fuel cell kemungkinan besar akan berkonsentrasi di wilayah yang telah siap dengan infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen seperti di Jepang, Jerman dan Amerika Serikat, dan kemudian akan menyebar ke beberapa negara. Bus kota yang digerakkan dengan fuel cell menunjukkan pertumbuhan dari tahun ke tahun, dengan lebih banyak prototipe yang diperkenalkan, salah satunya ditunjukkan dalam Gambar 3.
Keberhasilan promosi kendaraan fuel cell telah terjadi di Eropa, Jepang, Kanada dan Amerika Serikat namun biaya modal yang tinggi masih merupakan penghalang untuk adopsi secara meluas. Namun demikian, diharapkan segera setelah harga fuel cell mampu setara dengan harga bus diesel-hybrid, teknologi ini akan lebih banyak dipromosikan karena alasan lingkungan.
Gambar 2 Perangkat utama FCV
Gambar 3 Prototipe bus dengan propulsi fuel cell (https://www.japantimes.co.jp)
Metode Pemasukan Bahan Bakar
Secara umum, ada dua jenis metode pemasukan bahan bakar (fueling method) pada FCV. Metode pertama, disebut dengan sistem pengisian langsung (direct fueling system). Tangki hidrogen yang terpasang pada FCV diisi dari stasiun hidrogen. Hidrogen dari tangki kemudian disuplai ke fuel cell untuk proses eleltrokimia.
Metode kedua, disebut sistem pengisian tak langsung (on-board reforming system). Pada sistem ini, bahan bakar lain (bukan hidrogen) dipasok ke reformer yang dipasang pada FCV. Reformer memproduksi hidrogen yang kemudian disuplai ke fuel cell. Sistem pengisian langsung lebih unggul dalam hal efisiensi energi dan pengurangan emisi karbon dioksida (CO2) dibandingan dengan sistem on-board reforming.
Fitur Utama FCV
FCV dengan bahan bakar berupa hidrogen murni hanya menghasilkan uap air. FCV tidak melepaskan karbon dioksida (CO2), nitrogen oksida (NOx), hidrokarbon (HC), karbon monoksida (CO) atau partikulat (PM) sama sekali. FCV juga tidak melepaskan polutan udara berbahaya seperti benzena, aldehida, dan lainnya. Saat ini,