Сверхлегкая энергосистема на водород-воздушных топливных элементах с прямой подачей воздуха, разработанная BMPower (Сколково) и НИУ «МЭИ», предназначена для энергоснабжения легкого воздушного и наземного транспорта, робототехнических устройств и телекоммуникационного оборудования.

В отчете Euroconsult сообщается, что рынок дронов к 2025 году может составить 26 миллиардов долларов, а сферы их применения будут расширяться. Это доставка грузов, экстренная помощь, аэрофотосъемка, патрулирование, мониторинг объектов и сетей, обработка сельскохозяйственных угодий.

Для мобильных применений, например, на БПЛА, электроскутерах, экзоскелетах, энергосистема должна иметь минимальный вес при максимальной энергоемкости. Именно этот показатель определяет время полезной работы устройства до зарядки. Энергосистемы на водород-воздушных топливных элементах с прямой подачей воздуха показывают максимальные удельные энергетические характеристики: удельную мощность — до 1 Квт/кг на батарею топливных элементов и удельную энергию для системы — до 700 вт час/кг.

Такая энергоемкость в 3–4 раза выше, чем у лучших литий-ионных аккумуляторов, что кратно увеличивает и время работы устройства. Так, для БПЛА это означает реальное увеличение продолжительности полета в 3–4 раза. Эти показатели сравнимы с БПЛА с двигателями внутреннего сгорания, однако энергосистема на топливных элементах имеет минимальный уровень шума, вибраций, нулевые выбросы токсичных веществ и при температурах до 50 градусов Цельсия.

Основные процессы в водород-воздушном топливном элементе с полимерной протонообменной мембраной / ©Пресс-служба НИУ «МЭИ»

Как это возможно и как работают водород-воздушные топливные элементы? Водород в этой системе хранится под давлением 350 бар в легких композитных баллонах и подается в топливный элемент порциями. Воздух нагнетателем непрерывно прокачивается через батарею топливных элементов. Таким образом, охлаждает ее и удаляет единственный продукт реакции — воду (например, увлажняя воздух). Электрохимические процессы окисления водорода и восстановления кислорода воздуха идут на электродах топливного элемента с высокой скоростью за счет использования наноструктурированных катализаторов.

Энергоустановка BM Power (Сколково) с прямой подачей воздуха мощностью 2 кВт / ©Пресс-служба НИУ «МЭИ»

Этот процесс еще называют «холодным горением». Известно, что водород в единице массы имеет запас энергии в три раза выше, чем у бензина. Кроме того, КПД такого топливного элемента в режиме номинальной мощности составляет около 50 процентов, и что очень важно, КПД растет со снижением нагрузки и может достигать 60–80 процентов. При использовании ДВС КПД в номинальном режиме составляет около 35 процентов, но он заметно снижается при частичных нагрузках, а удельный выброс токсичных продуктов сгорания при этом растет.

Энергосистема BM Power на квадрокоптере / ©Пресс-служба НИУ «МЭИ»

Чтобы реализовать их в устройстве необходимо было решить сложные задачи в области электрокатализа, новых функциональных материалов, силовой электроники, системотехники и других. Например, высокую удельную мощность топливного элемента удалось реализовать только при создании эффективных катализаторов с размером частиц всего 2–4 нанометра. Легкие композитные баллоны вместе с газовой арматурой также — важный элемент энергосистемы с рекордными характеристиками.

Энергосистема на водород-воздушных топливных элементах 2 кВт компании BM Power / ©Пресс-служба НИУ «МЭИ»

Например, в приложении «Дрон для мониторинга» энергосистема на водород-воздушных топливных элементах с прямой подачей воздуха мощностью всего 1 кВт обеспечивает работу коптера массой до 12 килограммов и планера массой до 24 килограммов при минимальном уровне шума, низких вибрациях, инфракрасной заметности и токсичных выбросах.