Майбутнє водневих паливних елементів

Спочатку водневі паливні елементи в основному використовувалися в аерокосмічній та військовій галузях. Пізніше, з огляду на їхні великі потенційні переваги та у відповідь на все більш серйозне забруднення навколишнього середовища на транспорті, розпочалися дослідження щодо їхнього застосування в автомобільних силових агрегатах.

Сьогодні світ є свідком стрімкого технологічного прогресу та чудових результатів у галузі водневих паливних елементів, які вже демонструють яскраві перспективи розвитку. В умовах, коли ключовою технічною перешкодою для електромобілів все ще залишається довгий час спалювання автомобілів, водневі паливні елементи дають людям певну надію.

Після багатьох років випробувань різних варіантів технологій транспортних засобів на нових джерелах енергії у світовій автомобільній промисловості деякі представники наукової спільноти стверджують, що водневі паливні елементи, ймовірно, стануть кінцевою метою світового автомобілебудування і остаточним рішенням для транспортних засобів на нових джерелах енергії, зважаючи на їхню надзвичайну екологічність і високу енергоефективність.

Основні переваги автомобілів на водневих паливних елементах

Основні переваги

Відмінна екологічність. Візьмемо для прикладу Toyota MIRAI, який під час руху викидає в атмосферу лише чисту воду і жодних інших шкідливих речовин. Крім того, політика подвійного вуглецю, глобальні вимоги до охорони здоров'я навколишнього середовища та аномальні зміни клімату спонукали нас зосередити свою увагу на розробці нових енергетичних транспортних засобів на водневих паливних елементах, які, зрештою, є більш важливими для водневих паливних елементів, ніж їхня виняткова екологічна чистота.

А також тому, що водневих заправних станцій і транспортних засобів на водневій енергії ще не так багато, а витрати на них все ще високі.

Енергетична ефективність є особливо високою. З точки зору принципу роботи водневого паливного елемента, він генерує енергію, не проходячи через процес теплового двигуна, не підлягає тепловому циклу і практично не має тепловиділення або втрат теплової енергії. В результаті ефективність перетворення енергії може досягати 60% або 70% або навіть вище.

Водневі енергетичні ресурси є в надлишку. Водень також повсюдно поширений на планеті, і є багато ресурсів та різноманітних способів його виробництва.

З точки зору технічних засобів, які можуть бути використані для досягнення цієї мети, водень може вироблятися або шляхом електролізу води з чистих відновлюваних джерел енергії, включаючи енергію вітру і сонця, або шляхом прямого виробництва водню за допомогою світла.
водневі паливні елементи мають високий рівень комфорту їзди.

У порівнянні зі звичайними транспортними засобами, автомобілі на паливних елементах не мають проблем з механічною вібрацією і тепловим випромінюванням в силовому агрегаті, що не тільки забезпечує більш тривалий термін служби і високу надійність відповідних частин автомобіля, але і безперебійну роботу транспортного засобу.

Унікальні переваги у порівнянні з чисто електричними транспортними засобами

Засновані на науковому і раціональному принципі роботи паливних елементів, водневі паливні елементи принципово уникають деяких основних недоліків чистих електромобілів, таких як обмеження дальності пробігу і загроза безпеці, пов'язана з легким перегрівом.

Обмежений запас ходу. Так звана "батарея" автомобіля на паливних елементах лише виробляє електроенергію, але не зберігає її. Навпаки, поки водень безперервно подається до водневих паливних елементів, система приводу може отримувати достатньо електроенергії для руху автомобіля.

Щільність водневої енергії приблизно в 2-3 рази більша, ніж у газу та дизельного палива, і в 10 разів більша, ніж у літій-іонного палива для електромобілів. 5 кг водню можуть підтримувати водневі паливні елементи протягом 400 км, в той час як чисто електричний автомобіль з таким же пробігом мав би півтонни ваги батареї.

Водневі паливні елементи є безпечними та екологічно чистими. Водневі паливні елементи складаються з тонкого сепаратор літієвих батарей затиснутий полюсною пластиною. Теоретично максимальна температура водневих паливних елементів не перевищуватиме 100 градусів за Цельсієм, а на практиці охолодження акумуляторатемпература буде ще нижчою.

Що стосується впливу водневих паливних елементів на навколишнє середовище протягом усього їх життєвого циклу, то в цілому складові матеріали практично не токсичні і не виникає питання про будь-яке забруднення навколишнього середовища при їх підготовці, використанні та переробці.

Труднощі в розробці водневого паливного елемента

Незважаючи на багато переваг, згаданих вище, водневі паливні елементи є абсолютно інноваційним і революційним технологічним продуктом, і неминуче будуть існувати недосконалості і області для вдосконалення.

Технічні характеристики двигунів на водневих паливних елементах потребують значного покращення

На ранній стадії технічні характеристики двигуна на водневих паливних елементах були низькими і потребували значного вдосконалення, щоб відповідати реальним вимогам, головним чином у таких аспектах.

По-перше, щільність потужності водневих паливних елементів низька, а вихідна потужність всього двигуна на водневих паливних елементах обмежена.

По-друге, довговічність двигуна на водневих паливних елементах є низькою. На попередньому етапі термін служби двигунів на водневих паливних елементах у світі загалом не перевищує 3 000 годин, а цільовий показник на 2020 рік - 5 000 годин, що є чималим відставанням від реального застосування.

По-третє, двигун на водневих паливних елементах має погану адаптивність до навколишнього середовища, особливо в умовах низьких температур, що ускладнює запуск і зменшує запас ходу.

Високі вимоги до надійності системи

Для того, щоб двигун на водневих паливних елементах мав достатньо велику вихідну потужність, сотні окремих водневих паливних елементів повинні бути об'єднані в один, щоб сформувати стек паливних елементів, що вимагає не тільки заздалегідь стабільної якості кожної деталі, але й паралельного та послідовного з'єднання батарей, коли не можна допустити жодної помилки.

Висновок

У березні 2022 року Китай опублікував звіт про енергетику водневих паливних елементів як стратегічний напрям розвитку, і місцеві органи влади відреагували на нього позитивно: у багатьох місцях запроваджено схеми субсидування водневих паливних елементів і восьми основних компонентів, необхідних для здійснення прориву.

А капітальні інвестиції та угоди зі злиття та поглинання здебільшого стосувалися водневих паливних елементів, енергетичних стеків, мембранних електродів та протонообмінних мембран.