Gambar 1. Teknologi FCV[11]

Seiring dengan perkembangan zaman, penggunaan kendaraan semakin meningkat jumlahnya. Hal  ini  menimbulkan  permasalahan,  karena ketersediaan bahan bakar fosil yang terbatas dan tidak dapat terbarukan, tidak mampu mengimbangi kebutuhan manusia yang sangat besar akan energi. Penggunaan kendaraan bahan bakar minyak juga menimbulkan pencemaran udara akibat emisi yang dapat menimbulkan permasalahan pada kesehatan manusia dan pemanasan global akibat efek rumah kaca. Kondisi tersebut mendorong ilmuwan untuk meneliti jenis bahan bakar alternatif yang dapat menggantikan bahan bakar minyak, misalnya seperti Solar Panel, Etanol, Biodiesel, dan Fuel Cell[1].

Fuel  cell  merupakan salah satu sistem konversi energi alternatif yang ramah lingkungan dan memiliki efisiensi yang tinggi, karena sumber bahan bakarnya yang menggunakan hidrogen  yang berasal  dari  alam dan sangat melimpah  keberadaannya,  serta  produk samping berupa   uap   air   yang   juga   ramah   lingkungan.  Jika  dilihat, energi  yang  dikandung  hidrogen  lebih tinggi  (28.700  Kkal/kg) dibandingkan dengan minyak   bumi  (10.630Kkal/kg)[2]. Oleh sebab itu diciptakanlah kendaraan dengan bahan bakar fuel cell untuk mengatasi masalah tersebut. Fuel Cell dapat diaplikasikan pada mobil, bus, pesawat, forklift, roket, truk, motor, dan perahu.

Fuel Cell Vehicle (FCV) atau yang dikenal juga dengan kendaraan hidrogen merupakan kendaraan yang digerakkan oleh motor listrik dengan memanfaatkan reaksi kimia antara hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan listrik. Awalnya konsep bahan bakar hidrogen pertama kali ditunjukkan oleh Humphry Davy pada tahun 1801. Konsep tersebut terbukti melalui percobaan William Grove di tahun 1842 tentang arus listrik yang dapat dihasilkan oleh reaksi elektrokimia antara hidrogen dan oksigen di atas katalis platinum[3].

Perkembangan kendaraan hidrogen ditandai dengan munculnya FCV pertama yaitu sebuah traktor pertanian Allis-Chalmers tahun 1959 yang dimodifikasi dengan daya sebesar 15 kilowatt[4]. Perang dingin antara Amerika Serikat dengan Uni Soviet dalam mengeksplorasi ruang angkasa (Space Race)  juga sangat mendorong pengembangan teknologi bahan bakar ini. Diantaranya yaitu Proyek Gemini yang dilakukan oleh NASA untuk menguji fuel cell sebagai penyedia tenaga listrik selama misi penerbangan manusia ke luar angkasa dan kemudian dilanjutkan dengan Program Apollo[5].

Pada tahun 1966, General Motors mengembangkan kendaraan sel bahan bakar pertamanya, Chevrolet Electrovan. Mobil tersebut menggunakan sel bahan bakar PEM (Proton Exchange Membrane) yang dapat menempuh jarak 120 mil dengan kecepatan tertinggi 70 mph. Namun hanya ada dua kursi, karena tumpukan sel bahan bakar dan tangki hidrogen yang besar mengambil bagian belakangnya[6]. General Electric dan lainnya terus bekerja dalam mengembangkan sel bahan bakar PEM di tahun 1970an[5]. Pada 1990-an, produsen mobil pun mulai tertarik pada aplikasi sel bahan bakar, dan kendaraan demonstrasi disiapkan. Hingga akhirnya tangki hidrogen 700 Bar (10000 PSI) pertama diperkenalkan pada tahun 2001 untuk mengurangi ukuran tangki bahan bakar yang dapat digunakan di kendaraan dan memperluas jangkauannya[7].

 

Gambar 2. Cara kerja PEM[12]

Kendaraan hidrogen menggunakan Proton Exchange Membrane (PEM) untuk menghasilkan listrik, dan baterai sekunder untuk memberikan daya tambahan agar dapat menggerakan motor listrik. PEM terbuat dari polimer dengan sisi negatif dan positifnya terbuat dari platinum, katalis logam mulia yang dirancang untuk mempercepat reaksi kimia yang terjadi. Cara kerjanya yaitu, hidrogen dari tangki dipasok ke sisi anoda (negatif) sel bahan bakar dan oksigen dari udara masuk ke sisi katoda (positif). Kemudian molekul hidrogen diaktifkan oleh pelepas katalis anoda menjadi elektron dan ion hidrogen (proton). Elektron akan mengalir dari anoda menuju sisi katoda (positif) dan menciptakan arus listrik yang diarahkan ke motor listrik untuk menggerakan kendaraan. Sedangkan ion hidrogen diarahkan ke sisi katoda yang bergerak melalui membran elektrolit polimer, sehingga ion hidrogen dan elektron bergabung kembali dengan oksigen di sisi katoda dalam reaksi kimia yang menghasilkan air. Air akan dilepas dari pipa knalpot menjadi uap. Itulah sebabnya disebut PEM (Proton Exchange Membrane) karena melibatkan pertukaran proton melintasi membran polimer[8].

Sejak tahun 2016, mobil hidrogen yang sebelumnya hanyalah mobil konsep mulai tersedia untuk pasar umum beberapa diantaranya adalah Toyota Mirai, Hyundai ix35 FCEV, dan Honda Clarity. Sebuah Honda Clarity dapat menempuh jarak 589 km dalam kondisi penuh, dengan durasi pengisian bahan bakar kurang dari lima menit. Menurut United States Environmental Protection Agency (EPA), konsumsi bahan bakar hidrogen Clarity Fuel Cell per galon setara bensin adalah 68 mil. Hasil ini, jika dikonversikan sama dengan 109 km per 3,7 liter setara bensin[9]. Mobil hidrogen ini juga memiliki suara mesin yang tenang dan pemeliharaannya lebih murah karena komponen yang digunakan untuk menggerakan kendaraan lebih sedikit dibanding komponen kendaraan bahan bakar konvensional.

Dampak tidak langsung yang dapat dirasakan dari penggunaan kendaraan hidrogen ini adalah meningkatnya kebersihan udara, mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil, serta ramah lingkungan. Apabila penggunaan bahan bakar fosil dikurangi, maka polusi dan efek rumah kaca yang dihasilkan oleh kendaraan BBM dapat ditekan. Sehingga kualitas udara yang dihirup oleh manusia pun menjadi semakin baik dan kesehatan manusia menjadi lebih terjamin. Sebagai bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, mengurangi ketergantungan BBM juga dapat mengurangi inflasi dari semakin tinggi harga dan  langkanya bahan bakar fosil.

Sayangnya FCV masih kurang diminati masyarakat, penyebabnya adalah harga kendaraan yang mahal serta infrastruktur untuk fuel cell masih kurang. Pada tahun 2017, tercatat hanya ada 36 stasiun pengisian bahan bakar hidrogen untuk mobil di Amerika Serikat. Mahalnya infrastruktur serta ketergantungan bahan bakar fosil merupakan tantangan bagi teknologi ini untuk mendapatkan dukungan dari pemerintah. Produksi Fuel cell juga memerlukan senyawa hidrokarbon dari bahan bakar fosil untuk  menghasilkan  hidrogen, tetapi  fuel cell  memiliki efisiensi energi yang  lebih  baik  dan  dapat  mengurangi efek rumah kaca dibandingkan dengan pembakaran langsung hidrokarbon. Efisiensinya bisa mencapai 80% lebih tinggi dari pada bahan bakar biasa yang hanya mencapai 40%[13]. Selain itu, hidrogen dapat diproduksi dengan sumber yang dapat diperbaharui, namun proses tersebut tergolong mahal. Oleh sebab itu, perlunya mengeksplorasi teknologi untuk menghasilkan hidrogen dengan biaya yang rendah dan jumlah yang cukup besar tanpa menghasilkan emisi karbon[10].

Kontributor : Steady (ARE Semester 1 2017/2018)

 

Referensi :

[1]  Amazine, “Pengganti BBM: Ketahui 6 Sumber Bahan Bakar Alternatif,” Amazine.co, 28-May-2014. [Online]. Available: https://www.amazine.co/21892/pengganti-bbm-ketahui-6-sumber-bahan-bakar-alternatif/. [Accessed: 24-Oct-2017].

[2] S. W. Yunior, “Bahan Bakar Hidrogen untuk Kendaraan,” Materials Engineering. [Online]. Available: http://fannowidy.blogspot.co.id/2012/05/bahan-bakar-hidrogen-untuk-kendaraan.html. [Accessed: 24-Oct-2017].

[3] J. Matthey , “FuelCellToday - The leading authority on fuel cells,” Fuel Cell History - Fuel Cell Today. [Online]. Available: http://www.fuelcelltoday.com/history. [Accessed: 24-Oct-2017]

[4]  Wand, George. “Fuel Cell History, Part 2” Archived 2015-04-02 at the Wayback Machine.. “Fuel Cell Today”, April 2006, accessed August 2, 2011

[5] Smithsonian Institution, “PEM Fuel Cell History,” Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells. [Online]. Available: http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm. [Accessed: 24-Oct-2017].

[6] Hydrogen Cars Now, “1966 GM Electrovan,” First Hydrogen Fuel Cell Vehicle. [Online]. Available: http://www.hydrogencarsnow.com/index.php/gm-electrovan/. [Accessed: 2017].

[7] BioAge Group, “Nissan Announces its First In-House Fuel Cell Stack,” Green Car Congress: Nissan Announces its First In-House Fuel Cell Stack, 21-Feb-2005. [Online]. Available: http://www.greencarcongress.com/2005/02/nissan_announce.html.

[8] C. Woodford, “Fuel cells,” How do fuel cells work in hydrogen cars? - Explain that Stuff. [Online]. Available: http://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Accessed: 20-Sep-2016].

[9] A. Hidayatullah and I. A. Krisnamusi, “Jarak Tempuh Honda Clarity Fuel Cell Kalahkan Toyota Mirai,” arak Tempuh Honda Clarity Fuel Cell Kalahkan Toyota Mirai, 25-Oct-2016. [Online]. Available: http://www.suara.com/otomotif/2016/10/25/144859/jarak-tempuh-honda-clarity-fuel-cell-kalahkan-toyota-mirai.

[10] C. Lombardo, “10 Disadvantages and Advantages of Hydrogen Fuel Cells,” 10 Disadvantages and Advantages of Hydrogen Fuel Cells| Samsung Galaxy Blog, 23-Jul-2015. [Online]. Available: https://thenextgalaxy.com/10-disadvantages-and-advantages-of-hydrogen-fuel-cells/.

[11] U.S. Department of Energy, “How Do Fuel Cell Electric Vehicles Work Using Hydrogen?,” Alternative Fuels Data Center: How Do Fuel Cell Electric Vehicles Work Using Hydrogen? [Online]. Available: https://www.afdc.energy.gov/vehicles/how-do-fuel-cell-electric-cars-work. [Accessed: 21-May-2017]

[12] HyGen Industries, Inc, “How a Hydrogen Fuel Cell Vehicle Works - HyGen Industries,” How a Hydrogen Fuel Cell Vehicle Works. [Online]. Available: https://www.bing.com/cr?IG=483DCDA2D1324F9496ECA892A5854155&CID=3962F6DB7C0A68A830C8FDFE7D0C6945&rd=1&h=tX3_44aVKAV4Lp-KFHDCVFXFlwH9PZ0BMNSw3MxjBGA&v=1&r=https%3a%2f%2fwww.hygen.com%2fhow-a-hydrogen-fuel-cell-vehicle-works%2f&p=DevEx,5067.1. [Accessed: 24-Oct-2017].

[13] F. B. Laksono and F. Falah, “Fuel Cell Bahan Bakar Masa Depan,” Penggagas, 20-Jul-2016. [Online]. Available: http://www.penggagas.com/fuel-cell-bahan-bakar-masa-depan/. [Accessed: 25-Oct-2017].