Автомобили на водороде: электромобили на топливных элементах

Электрические и гибридные автомобили становятся все более популярными, отчасти потому, что они помогают снизить количество выбросов углекислого газа в атмосферу. Но это не единственный вариант более экологичного вождения. Электромобили на водородных топливных элементах звучат как нечто из научной фантастики, но эти автомобили существуют дольше, чем вы думаете. Если вас интересует другая альтернатива двигателю внутреннего сгорания, вот как они работают.

Как работает водородный топливный элемент

Водородные транспортные средства — это тип электромобиля, в котором для питания двигателя используются топливные элементы, а не литий-ионный аккумулятор; они не сжигают топливо, как бензиновые автомобили. Как и электромобили, водородные автомобили не производят вредных выбросов — единственным побочным продуктом является водяной пар. Поскольку это электромобили, вы также услышите, как их называют электромобилями на топливных элементах (FCEV).

Топливные элементы по конструкции аналогичны литий-ионным батареям: у них есть анод, катод и катализатор, запускающий выделение электронов и протонов из закачиваемого внутрь газообразного водорода. Подобно литий-ионным элементам в аккумуляторе электромобиля, водородные автомобили имеют несколько топливных элементов, работающих одновременно для выработки электроэнергии. Этот набор ячеек называется водородным топливным элементом.

Водород из бортовых топливных баков автомобиля соединяется с кислородом внутри блока топливных элементов для выработки электроэнергии с помощью процесса, называемого обратным электролизом. Электроны удаляются из газообразного водорода, направляются по цепи для питания двигателя и объединяются с кислородом на другой стороне цепи, образуя водяной пар, который выбрасывается через выхлоп автомобиля.

Водородный бак, аккумулятор и электродвигатель работают вместе для питания FCEV. (Изображение: БМВ)

Электроэнергия, вырабатываемая водородными топливными элементами, может идти двумя путями(откроется в новом окне), в зависимости от ситуации. Энергия либо питает электродвигатель напрямую, либо заряжает небольшую литий-ионную батарею, которая помогает питать двигатель и может хранить энергию для последующего использования. Эта батарея также получает энергию от системы рекуперативного торможения автомобиля для последующего использования и сохраняет избыточную энергию от блока топливных элементов во время вождения с низким энергопотреблением. Если к двигателю предъявляется больше требований, на помощь приходит аккумулятор.

Заправка и запас хода

Автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai имеет запас хода 402 мили (Фото: Toyota)

Заправка водородных баков FCEV происходит примерно так же быстро, как заправка бензинового автомобиля, и это одно из серьезных преимуществ водородных автомобилей по сравнению с аккумуляторными электромобилями. Вы просто подъезжаете к заправочной станции, подсоединяете шланг, и бак заполняется примерно за пять минут.

FCEV может иметь на борту несколько баллонов с водородом. Поскольку водород может быть легко воспламеняется(Открывается в новом окне) при неправильном обращении эти топливные баки имеют толстые стенки, находятся под давлением и проходят испытания для обеспечения безопасности при столкновении. В транспортное средство также встроены отказоустойчивые устройства, которые обеспечивают рассеивание и высвобождение водорода, если, например, топливный элемент удален или перегрет.

Еще одно преимущество водородных автомобилей по сравнению с аккумуляторными электромобилями на момент написания этой статьи — их больший запас хода. По данным Калифорнийского управления, автомобили FCEV могут проехать от 300 до 400 миль, прежде чем их нужно будет дозаправить. Инициатива Drive Clean(Открывается в новом окне). С другой стороны, полностью аккумуляторные электромобили имеют средний диапазон EV около 250 км(Откроется в новом окне) на момент написания этой статьи.

Проблемы автомобилей на топливных элементах

Водородная заправочная станция True Zero (Фото: True Zero)

Быстрая заправка, электроэнергия и единственный побочный продукт — вода — звучит как идеальный экологичный автомобиль, верно? Что ж, это может быть, но, в отличие от электромобилей, FCEV еще не существует.

Во-первых, несмотря на то, что они имеют больший запас хода, чем электромобили, FCEV дороже заправлять топливом, отчасти потому, что производство водорода очень дорого. Это может быть самый распространенный элемент на планете, но его переработка в форму, которая может приводить в действие транспортное средство, требует усилий, и эти усилия отражаются на стоимости бака.

Инфраструктура заправки FCEV в настоящее время также сильно отсутствует. Есть менее 400 (откроется в новом окне) Заправочные станции FCEV по всему миру, хотя предпринимаются попытки построить больше станций; США стремятся к 2030 году иметь 1000 подключенных к сети. Тем не менее, это намного меньше водородных заправочных станций, чем зарядных портов для электромобилей, которых насчитывается около 110 000 в США(Открывается в новом окне) по состоянию на сентябрь 2021 года.

Еще одна проблема, с которой сталкиваются FCEV, заключается в том, что, хотя они сами могут работать без выбросов, заводы, которые производят водородное топливо, часто делают это, сжигая ископаемое топливо в процессе, называемом паровой риформинг(Открывается в новом окне). Если так будет продолжаться, FCEV не будут так много делать для окружающей среды, как могли бы, и их нельзя назвать автомобилями с нулевым уровнем выбросов.

Альтернативные процессы(Открывается в новом окне) изучаются электролиз воды, в котором используется возобновляемый источник, такой как солнечная энергия, для выработки электроэнергии, которую можно использовать для отделения водорода от воды.

FCEV против EV

Ford Mustang Mach-E, образец электромобиля с батарейным питанием (Фото: Ford)

Водородные транспортные средства имеют много общего с автомобилями с батарейным питанием, такими как Ford Mustang Mach-E (вверху) и Tesla Model 3. И аккумуляторные электромобили, и FCEV используют электричество вместо горючего топлива, они оба имеют электродвигатели и бортовые батареи. и ни один не выделяет вредных газов. Различия сводятся к инфраструктуре, топливу и доступности.

Аккумуляторные электромобили имеют более надежную инфраструктуру для подзарядки в общественных местах, чем водородные автомобили. Хотя они все еще не так распространены, как заправочные станции, в настоящее время в США есть тысячи мест для подзарядки электромобилей. Между тем, все водородные заправочные станции в США расположены в Калифорния(Откроется в новом окне)так что о дальних поездках не может быть и речи.

Также стоит учитывать стоимость заправки. Поскольку в настоящее время производство газообразного водорода для FCEV обходится дороже, заправка вашего FCEV обходится дороже, чем для электромобиля. Тем не менее, водородный автомобиль можно заправлять во много раз быстрее, чем электромобиль, и он может накапливать избыточную электроэнергию в своей батарее, что позволяет ему перезаряжаться во время движения. Аккумуляторные электромобили, напротив, должны быть подключены к сети, чтобы восстановить большую часть своей мощности.

Электромобиль на топливных элементах Hyundai Nexo представлен на рынке с 2019 года. (Фото: Hyundai)

Конечно, самая большая проблема заключается в том, что FCEV еще не широко доступны в США. Лишь несколько производителей продают их населению; Toyota Mirai и Hyundai Nexo в настоящее время являются наиболее распространенными именами в гонке.

Несмотря на ограничения, связанные с водородом, страны во всем мире рассматривают его как жизнеспособный альтернативный источник энергии для всего: от автомобилей и автобусов до самолеты(откроется в новом окне). Если мы сможем найти экономически эффективный способ сделать производство водорода более экологичным и создать необходимую инфраструктуру для заправки топливом, FCEV может означать огромный скачок вперед для экологически чистого транспорта.