Топливный элемент как альтернативная силовая установка

Топливный элемент как силовая установка во многом превосходит аккумулятор, поскольку ему требуется меньше энергии по весу и объёму по сравнению с транспортным средством, работающим только от аккумуляторов. Топливный элемент (ТЭ) имеет линейную прогрессию запаса хода, подобную автомобилю с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), в то время как логарифмические кривые мощности аккумулятора накладывают ограничения на размер и вес.

Рисунок 1: Запас хода как функция накопления энергии 

Четко видно, что аккумуляторы становятся слишком тяжелыми с увеличением размера для преодоления больших расстояний. В этом отношении топливный элемент имеет схожие качества с ДВС, поскольку он может преодолевать большие расстояния, просто добавляя дополнительное топливо. Вес топлива является самым важным в воздушном транспорте. Исследовательская группа подсчитала, что если бы керосин в самолете заменить аккумуляторами, полет длился бы менее 10 минут.

Топливный элемент (ТЭ) автомобиля среднего размера генерирует около 85 кВт (114 л.с.) для зарядки бортового аккумулятора емкостью 18 кВт·ч и питания электродвигателя. При запуске автомобиль полностью полагается на аккумулятор; топливный элемент вносит свой вклад только после достижения стабильного состояния через 5–30 секунд. Во время периода прогрева аккумулятор также должен подавать питание для активации воздушного компрессора и насосов. После прогрева ТЭ обеспечивает достаточную мощность для движения по прямой, однако во время разгона, обгона и подъёма на холм как ТЭ, так и аккумулятор обеспечивают питание дроссельной заслонки. Торможение передает кинетическую энергию аккумулятору.

Водород стоит примерно вдвое дороже бензина, но более высокая эффективность топливной системы по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) в преобразовании топлива в энергию уравнивает обе системы. Топливный элемент имеет дополнительное преимущество в виде меньшего выброса парниковых газов, чем ДВС.

Водород обычно получают из природного газа. Люди могут спросить: «Почему бы не сжигать природный газ непосредственно в двигателе внутреннего сгорания, вместо того чтобы преобразовывать его в водород с помощью риформера, а затем преобразовывать в электричество в топливном элементе для питания электродвигателей?» Ответ — эффективность. Сжигание природного газа в турбине внутреннего сгорания для производства электроэнергии имеет коэффициент полезного действия всего 26–32 процента, в то время как топливный элемент имеет эффективность 35–50 процентов. Тем не менее, оборудование, необходимое для поддержки топливного элемента, является более дорогим и требует большего обслуживания, чем простой процесс сжигания.

Ситуацию еще больше усложняет то, что строительство водородной инфраструктуры является дорогостоящим. Заправочная станция, способная преобразовывать природный газ в водород для обслуживания 2300 транспортных средств, стоит более 2 миллионов долларов. Для сравнения, зарядную розетку 2-го уровня для зарядки электромобилей можно легко установить, подключившись к существующей электросети. Преимуществом использования водородных топливных технологий является быстрое заполнение бака, подобное заполнению бака жидким топливом.

Долговечность и стоимость являются дополнительными препятствиями для использования топливных элементов, но улучшения все же есть. Срок службы автомобиля с двигателем на ТЭ удвоился с 1000 часов до 2000 часов. Целевой показатель составляет 5000 часов, или срок службы автомобиля 240 000 км (150 000 миль). Еще одной проблемой является стоимость транспортного средства, поскольку топливный элемент дороже в производстве, чем двигатель внутреннего сгорания. Из-за низких цен на топливо альтернативные силовые установки трудно оправдать только стоимостью, и необходимо учитывать экологические преимущества. Япония прилагает новые усилия в сфере двигателей на топливных элементах, чтобы предложить альтернативу двигателям внутреннего сгорания и электромобилям. Toyota планирует постепенно отказаться от двигателей внутреннего сгорания к 2050 году, и другие производители автомобилей наблюдают за этой тенденцией.