Паливний елемент як альтернативна рушійна система

Паливний елемент як рушійна система багато в чому перевершує акумулятор, оскільки йому потрібно менше енергії за вагою та об'ємом порівняно з транспортним засобом, що рухається лише від акумуляторів. Паливний елемент (ПЕ) має лінійну прогресію запасу ходу, подібну до автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ), тоді як логарифмічні криві потужності акумулятора накладають обмеження на розмір і вагу.

Рисунок 1: Запас ходу як функція накопичення енергії 

Чітко видно, що акумулятори стають занадто важкими зі збільшенням розміру для подолання більших відстаней. У цьому відношенні паливний елемент має схожі якості з ДВЗ, оскільки він може долати великі відстані, лише додаючи додаткове паливо. Вага палива є найважливішою в повітряному транспорті. Дослідницька група підрахувала, що якби гас у літаку замінити акумуляторами, політ тривав би менше 10 хвилин.

Паливний елемент (ПЕ) автомобіля середнього розміру генерує близько 85 кВт (114 к.с.) для заряджання бортового акумулятора ємністю 18 кВт·год та живлення електродвигуна. Під час запуску автомобіль повністю покладається на акумулятор; паливний елемент вносить свій внесок лише після досягнення стабільного стану через 5–30 секунд. Під час періоду прогріву акумулятор також повинен подавати живлення для активації повітряного компресора та насосів. Після прогріву ПЕ забезпечує достатню потужність для руху по прямій, однак під час розгону, обгону та підйому на пагорб як ПЕ, так і акумулятор забезпечують живлення дросельної заслінки. Гальмування передає кінетичну енергію акумулятора.

Водень коштує приблизно вдвічі дорожче за бензин, але вища ефективність паливної системи (ПГ) порівняно з двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) у перетворенні палива в енергію зрівнює обидві системи. ПГ має додаткову перевагу у вигляді меншого викиду парникових газів, ніж ДВЗ.

Водень зазвичай отримують з природного газу. Люди можуть запитати: «Чому б не спалювати природний газ безпосередньо у двигуні внутрішнього згоряння, замість того, щоб перетворювати його на водень за допомогою риформера, а потім перетворювати на електрику в паливному елементі для живлення електродвигунів?» Відповідь — ефективність. Спалювання природного газу в турбіні внутрішнього згоряння для виробництва електроенергії має коефіцієнт корисної дії лише 26–32 відсотки, тоді як паливний елемент має ефективність 35–50 відсотків. Тим не менш, обладнання, необхідне для підтримки паливного елемента, є дорожчим і потребує більше обслуговування, ніж простий процес спалювання.

Ситуацію ще більше ускладнює те, що будівництво водневої інфраструктури є дорогим. Заправна станція, здатна перетворювати природний газ на водень для обслуговування 2300 транспортних засобів, коштує понад 2 мільйони доларів. Для порівняння, зарядну розетку 2-го рівня для заряджання електромобілів можна легко встановити, підключившись до існуючої електромережі. Перевагою використання водневих паливних технологій є швидке заповнення бака, подібне до заповнення бака рідким паливом.

Довговічність та вартість є додатковими перешкодами для використання паливних елементів, але покращення все ж таки є. Термін служби автомобіля з двигуном на ПЕ подвоївся з 1000 годин до 2000 годин. Цільовий показник становить 5000 годин, або термін служби автомобіля 240 000 км (150 000 миль). Ще однією проблемою є вартість транспортного засобу, оскільки паливний елемент дорожчий у виробництві, ніж двигун внутрішнього згоряння. Через низькі ціни на паливо, альтернативні системи руху важко виправдати лише вартістю, і необхідно враховувати екологічні переваги. Японія докладає нових зусиль у сфері двигунів на паливних елементах, щоб запропонувати альтернативу двигунам внутрішнього згоряння та електромобілям. Toyota планує поступово відмовитися від двигунів внутрішнього згоряння до 2050 року, і інші виробники автомобілів спостерігають за цією тенденцією.