Sistem propulsi sel bahan bakar dalam banyak hal lebih unggul daripada baterai karena membutuhkan penyimpanan energi yang lebih sedikit dari segi berat dan volume dibandingkan dengan kendaraan yang hanya didorong oleh baterai.
Gambar 1 mengilustrasikan jangkauan berkendara praktis dari kendaraan yang ditenagai oleh sel bahan bakar (FC) dibandingkan dengan baterai asam timbal, NiMH, dan Li-ion (Lihat juga BU-210: Bagaimana Cara Kerja Sel Bahan Bakar?)
Jangkauan berkendara sebagai fungsi penyimpanan energi Gambar 1: Jangkauan berkendara sebagai fungsi penyimpanan energi [1] Kurva logaritmik daya baterai menempatkan batasan dalam hal ukuran dan berat. FC memiliki progresi linear dan mirip dengan kendaraan dengan mesin pembakaran dalam (ICE).
Catatan: Tangki hidrogen 35MPa merujuk pada tekanan 5.000psi; 70MPa adalah 10.000psi.
Seseorang dapat dengan jelas melihat bahwa baterai menjadi terlalu berat ketika ukurannya diperbesar untuk memungkinkan jarak yang lebih jauh.
Dalam hal ini, sel bahan bakar memiliki kualitas yang mirip dengan mesin pembakaran dalam (ICE) karena dapat menaklukkan jarak yang jauh hanya dengan penambahan bahan bakar tambahan.
Berat bahan bakar sangat kritis dalam transportasi udara. Maskapai hanya membawa cukup bahan bakar untuk mencapai tujuan mereka dengan aman, mengetahui bahwa pesawat menjadi lebih efisien bahan bakar menuju akhir perjalanan ketika beratnya berkurang. Sebuah kelompok studi menghitung bahwa jika kerosin di pesawat diganti dengan baterai, penerbangan akan berlangsung kurang dari 10 menit.
Meskipun sel bahan bakar mengambil peran dari ICE dalam sebuah kendaraan, waktu respons yang buruk dan rentang daya yang lemah membuat baterai di atas kendaraan menjadi diperlukan.
Dalam hal ini, mobil FC menyerupai kendaraan listrik dengan pengisi daya baterai on-board yang menjaga baterai tetap terisi.
Hal ini menghasilkan siklus pendek yang mengurangi stres baterai dibandingkan EV; sebuah sistem propulsi yang menyerupai HEV.
FC dari mobil berukuran sedang menghasilkan sekitar 85kW (114hp) untuk mengisi baterai on-board 18kWh dan menggerakkan motor listrik.
Pada saat start-up, kendaraan sepenuhnya mengandalkan baterai; sel bahan bakar hanya memberikan kontribusi setelah mencapai keadaan stabil dalam 5–30 detik. Selama periode pemanasan, baterai juga harus memberikan daya untuk mengaktifkan kompresor udara dan pompa. Setelah hangat, FC memberikan cukup daya untuk cruising; namun, selama percepatan, melewati, dan mendaki bukit baik FC maupun baterai memberikan daya throttle. Pengereman menghasilkan energi kinetik untuk baterai.
Hidrogen biaya sekitar dua kali lipat dari bensin, tetapi efisiensi yang lebih tinggi dari FC dibandingkan dengan ICE dalam mengkonversi bahan bakar menjadi energi membuat kedua sistem seimbang. FC memiliki keuntungan tambahan dari menghasilkan gas rumah kaca lebih sedikit dibandingkan dengan ICE.
Hidrogen umumnya berasal dari gas alam.
Orang mungkin bertanya, “Mengapa tidak membakar gas alam langsung di ICE daripada mengubahnya menjadi hidrogen melalui reformer dan kemudian mengubahnya menjadi listrik dalam sel bahan bakar untuk memberi makan motor listrik?”
Jawabannya adalah efisiensi.
Membakar gas alam dalam turbin pembakaran untuk menghasilkan listrik memiliki faktor efisiensi hanya 26–32 persen sementara sel bahan bakar adalah 35–50 persen efisien. Namun demikian, mesin yang diperlukan untuk mendukung FC lebih mahal dan memerlukan lebih banyak perawatan daripada proses pembakaran sederhana.
Untuk mempersulit masalah lebih lanjut, membangun infrastruktur hidrogen mahal.
Sebuah stasiun pengisian ulang yang mampu mereformasi gas alam menjadi hidrogen untuk mendukung 2.300 kendaraan biayanya lebih dari $2 juta, atau $870 per kendaraan.
Dibandingkan dengan itu, colokan pengisian Level 2 untuk mengisi EV bisa dengan mudah diinstal dengan menghubungkan ke grid listrik yang ada. Manfaat dengan FC adalah pengisian ulang cepat yang mirip dengan mengisi tanki dengan bahan bakar cair.
Daya tahan dan biaya adalah hambatan lebih lanjut bagi FC, tetapi perbaikan dilakukan. Umur layanan mobil yang ditenagai FC telah meningkat dua kali lipat dari 1.000 jam menjadi 2.000 jam. Target untuk tahun 2015 adalah 5.000 jam, atau umur kendaraan sejauh 240.000km (150.000 mil).
Tantangan lebih lanjut adalah biaya kendaraan karena sel bahan bakar lebih mahal untuk dibangun daripada ICE.
Sebagai pedoman, kendaraan FC lebih mahal daripada mobil hibrida plug-in, dan mobil hibrida plug-in lebih mahal daripada mobil bensin.
Dengan harga bahan bakar rendah, sistem propulsi alternatif sulit dibenarkan hanya dari segi biaya saja dan manfaat lingkungan harus dipertimbangkan.
Jepang sedang membuat upaya baru dengan propulsi FC untuk menawarkan alternatif bagi ICE dan EV. Toyota berencana untuk menghentikan penggunaan ICE pada tahun 2050 dan produsen kendaraan lainnya sedang mengamati tren tersebut.