Водородные топливные элементы — будущее электромобилей?

Внедрение аккумуляторных электромобилей (BEV) в Северной Америке, похоже, натолкнулось на препятствие. С низкая стоимость при перепродаже, дорогая стоимость ремонтаи отстающая инфраструктура, продажи замедлились – заметно. Крупные компании по прокату автомобилей, такие как Hertz, даже отменили свои решения, приняв решение разгрузить огромную часть электромобилей в своем парке, возвращаясь к своим аналогам с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Хотя это может быть и так, было бы безумием думать, что переход от чего-то столь повсеместного, как ICE, произойдет плавно. Всегда будут неудачи, и всегда будут возникать веские вопросы, связанные с достоинствами электромобилей.

Суть в том, что переход на электромобили — это не просто желание избранных, а потребность многих в борьбе с изменением климата. Однако, если нынешнее поколение электромобилей не справляется с этой задачей, какие ещё варианты у нас есть? Для многих ответ кроется в том, над чем они размышляли много лет и в последнее время демонстрируют критические достижения — водородные электромобили (HEV).

Повышение долговечности водородных топливных элементов

В одном из последних исследовании¹, совместная исследовательская группа, состоящая из ученых из Гарвардского и Инчхонского национальных университетов, подробно описала новый подход к созданию водородных топливных элементов, который приведет как к увеличению долговечности, так и к увеличению срока службы.

В частности, в ходе исследования была разработана «категория устойчивых к усталости электролитных мембран, состоящих из взаимопроникающей сетки нафиона и перфторполиэфира (ПФПЭ)». Было отмечено, что при их использовании типичная усталость, которая проявляется в виде трещин под напряжением, возникающих при регулярном использовании топливных элементов, может быть значительно уменьшена.

Исследование показало, что включение этого материала в электролитные мембраны топливного элемента повышает «…порог усталости на 175% и продлевает срок службы топливного элемента в 1.7 раза. Кроме того, немодифицированная мембрана Nafion имеет срок службы Срок службы композитной мембраны составил 242 часов».

Хотя команда отметила, что внедрение этого материала несколько ухудшило характеристики топливных элементов, поразительное улучшение прочности/долговечности, безусловно, является оправданным компромиссом. В будущем, если мы ожидаем, что водородные топливные элементы вытеснят аккумуляторные батареи в секторе электромобилей, именно эти достижения необходимо реализовать. Однако важно помнить, что лучшие технологии не всегда побеждают. Преимущество первопроходца реально, и электромобили с аккумуляторным питанием явно лидируют, несмотря на недавний спад рынка.

Что такое водородные электромобили (HEV)?

Электромобиль – это транспортное средство, в котором используются двигатели, работающие от электричества, а не двигатель, работающий на сжигании топлива. В настоящее время подавляющее большинство электромобилей используют тяжелые аккумуляторные батареи для хранения и доставки электроэнергии для питания этих двигателей. Как уже упоминалось, существует еще один подход к электромобилям, который, похоже, набирает обороты – водородные топливные элементы.

В водородных электромобилях (HEV), иногда называемых электромобилями на топливных элементах (FCEV), электричество, необходимое для питания двигателя (двигателей), обеспечивается посредством электрохимической реакции, в которой водород, хранящийся в виде жидкости или сжатого газа, расщепляется на протоны. и электроны. Весь процесс работает следующим образом:

1. Водород, хранящийся в баке высокого давления, по требованию подается в топливный элемент.
2. Водород, попавший в топливный элемент, расщепляется на протоны и электроны.
3. Электроны используются для питания двигателей, которые затем приводят в движение колеса.
4. Протоны соединяются с кислородом воздуха, образуя два побочных продукта: тепло и водяной пар.

Интересно, что некоторые гибридные гибридные электромобили используют аккумуляторную батарею меньшего размера для улавливания потерянной энергии за счет рекуперативного торможения, сочетая в себе лучшее из обоих миров.

В чем привлекательность водорода?

Привлекательность HEV разнообразна, но существенна, как и электромобили с батарейным питанием. Таким образом, хотя варианты с батарейным питанием в настоящее время доминируют на рынке, они ни в коем случае не считаются выигрышным подходом. Фактически, каждый из следующих факторов указывает на то, что HEV в чем-то превосходят.

Генерация и хранение: Аккумуляторные блоки обычно состоят из материалов, собранных в результате крупных инвазивных горнодобывающих работ, которые сеют хаос на Земле, подрывая представление о том, что их использование полезно для окружающей среды. С другой стороны, водород можно улавливать с помощью таких средств, как устойчивый электролиз и, возможно, природные запасы.

Кроме того, водород можно легко сжать в жидкость и без проблем транспортировать в огромных количествах. Он не требует линий передачи с момента создания, что делает процесс более гибким.

Производительность: С точки зрения производительности большой разницы между HEV и BEV нет. Оба типа транспортных средств используют двигатели для привода своих ведущих колес, а это означает, что оба получат выгоду от мгновенного крутящего момента и мощности, которые являются синонимами этой технологии.

Выбросы: С точки зрения выбросов водород, возможно, лучше. Хотя технически это вторичный излучатель, при этом из выхлопной трубы выходит только водяной пар. Между тем, у BEV вообще нет выбросов. Отличительной чертой водорода является производственный процесс, поскольку для создания аккумуляторных блоков, от которых он отказывается, требуется обширная добыча полезных ископаемых, что в процессе наносит ущерб Земле.

Заправка: Заправка топливом — одна из самых привлекательных сторон использования водорода, поскольку это фактор, с которым конечные пользователи будут регулярно сталкиваться из первых рук. В то время как BEV обычно требуют длительного времени зарядки и специализированной инфраструктуры, HEV могут заправляться так же быстро, как обычный бензиновый или дизельный автомобиль.

Диапазон: Хотя технология аккумуляторов совершенствуется, для того, чтобы BEV мог похвастаться тем же запасом хода, что и более традиционные ДВС, требуется массивный аккумуляторный блок. Это приводит к увеличению времени зарядки, увеличению воздействия на окружающую среду и снижению эффективности из-за веса. Водород, с другой стороны, может похвастаться запасом хода, как правило, на одном уровне с ICE, что полностью исключает беспокойство по поводу дальности полета.

Холодный климат: Частично беспокойство по поводу ассортимента, которое беспокоит владельцев BEV, связано с регионом. Очень немногие места могут похвастаться идеальными климатическими условиями для BEV, что приводит к резкому сокращению запаса хода для многих клиентов. Хотя водород действительно теряет некоторый запас хода в холодную погоду, это не столь драматично, что делает его более привлекательным вариантом для многих.

Как видите, существуют различные критические области, в которых гибридные электромобили могут превзойти свои варианты с аккумуляторными блоками. Они начинают отставать в сложности, необходимости модернизации существующей инфраструктуры заправки и потенциальном появлении твердотельных батарей.

Игроки отрасли разрабатывают водородные решения

Индустрия электромобилей, возможно, сейчас переживает некоторые трудности, но очевидно, что за ними будущее транспорта. Не так ясно, какой именно вид электромобилей они примут. Будут ли они работать на аккумуляторах? Или же они будут полагаться на водородные топливные элементы? Следующие две компании делают ставку на последний вариант и уже начали планировать такое будущее.

*Цифры, представленные ниже, были точными на момент написания и могут быть изменены. Любой потенциальный инвестор должен проверить показатели*

1. Toyota

Будучи крупнейшим автопроизводителем в мире, неудивительно, что Toyota вышла на рынок гибридных электромобилей (HEV). Примечательно, что, активно разрабатывая решения на основе твердотельных аккумуляторов, Toyota выступает против современных электромобилей на аккумуляторах. Вместо этого Toyota дала понять, что, по её мнению, светлое будущее лежит за гибридными электромобилями и даже двигателями внутреннего сгорания на водороде.

Примечательно, что Toyota начала разрабатывать технологию HEV в 1992 году, выпустив «Mirai» — седан с 5-минутной заправкой, запасом хода 650 км и нулевым уровнем вредных выбросов.

2. Подключите питание

(PLUG )

Компания Plug Power Inc., основанная в 1997 году со штаб-квартирой в Лэтэме, штат Нью-Йорк, остается ключевым игроком в развитии технологии водородных топливных элементов. Примечательно, что Plug Power не фокусируется исключительно на легковых и грузовых автомобилях; компания разрабатывает и производит такие системы для небольших установок, в которых используются электродвигатели.

В последние годы компания Plug Power расширила свою деятельность, выйдя за рамки топливных элементов для транспортировки материалов, и начала осваивать более широкие рынки. Сюда входят стационарные энергетические системы, парки транспортных средств для доставки и даже потенциальные области применения в авиации. Стратегические приобретения компании, такие как United Hydrogen и Giner ELX, ещё больше укрепили её позиции в водородной экономике, расширив возможности в области производства, сжижения и распределения водорода.

Заключительное слово

Поскольку аккумуляторные электромобили терпят неудачу, больше внимания уделяется потенциальным альтернативам. В нынешнем виде водородные решения находятся в центре внимания, и хотя на первый взгляд эту технологию можно легко отбросить, помните, что не только Toyota настаивает на водороде. Партнерские отношения и разработка водородных решений с участием таких компаний, как Honda, GM, Hyundai и других, уже существуют.

Поскольку доступ к водороду из экологически чистых источников растет с каждым днем, будущее электромобилей может выглядеть немного иначе, чем многие думают.

Ссылки на исследования:

^{1. Ким, Y., Чжан, J., Лим, H., Джанг, W., Ким, DY, Ли, WY, Чой, W., Ким, DJ, Ли, SH, Jeong, SK, Пак, JH, Пак, S., и Ким, JY (2024). Усталостностойкие электролитные мембраны для долговечных полимерных электролитных топливных элементов. Продвинутые материалы, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}