Мультироторный летательный аппарат с источником энергии на основе водородных топливных элементов представлен научным коллективом российских разработчиков из ФИЦ ПХФ и МХ РАН (г. Черноголовка) и МФТИ (г. Долгопрудный). Продемонстрировано 2–4-кратное преимущество в энергоемкости энергоустановок на основе топливных элементов перед литий-ионными аккумуляторами. По итогам испытаний время непрерывного полета составило 2,5 часа.
Суперактуальная на текущий момент сфера применения водородного топлива — беспилотная техника и в первую очередь авиация. Именно там решающим фактором является время работы, которое зависит от источника питания.
Главное преимущество энергоустановок на основе топливных элементов — высокая удельная энергоемкость по сравнению с аккумуляторами, что обеспечивается высоким КПД топливных элементов и высокой теплотой сгорания водорода (121 МДж/кг по низшей теплотворной способности). Достигнутые значения энергоемкости составляют 550–750 Вт*ч/кг, что в 2–4 раза превышает энергоемкость современных аккумуляторов. Это обеспечивает пропорциональное увеличение автономности беспилотной техники.
Межвузовская коллаборация ученых ФИЦ ПХФ и МХ РАН и МФТИ разработала пилотный образец мультироторного летательного аппарата с источником энергии на основе водородных топливных элементов для эксплуатации, в том числе, в условиях Арктики.
«Источник питания дрона — две батареи топливных элементов мощностью 1 киловатт. Топливом является водород, находящийся в баллоне высокого давления. Эта энергоустановка может обеспечивать непрерывный полет аппарата длительностью до 2,5 часов. Если тот же аппарат питать от литий-ионных аккумуляторов, то для обеспечения сопоставимого времени полета его придется периодически сажать, менять или заряжать аккумуляторы либо запускать одновременно несколько аппаратов, что значительно удорожает процесс. Конструкция имеет взлетный вес до 15 кг, может нести полезную нагрузку до 2 кг, скорость полета — до 50 км/ч», — рассказал Алексей Левченко, руководитель проекта, руководитель Центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
Разработчики подчеркивают, что для легкой беспилотной техники использование топливных элементов с водородом весьма оправданно на сегодняшний момент.
«Например, у нашей разработки есть ряд очевидных преимуществ. Одно из основных — потенциальная возможность работы при отрицательных температурах. Топливные элементы отличаются от других источников энергии абсолютной экологической безопасностью, поскольку в процессе работы выделяются только пары дистиллированной воды, которую можно пить», — добавил Дмитрий Гребцов, руководитель молодежной лаборатории перспективной энергетики Института электродвижения МФТИ.
По словам разработчиков, созданные для водородного летательного аппарата топливные элементы могут использоваться не только в авиации, но и для решения широкого спектра задач: портативного электроснабжения, зарядки гаджетов и для электровелосипедов в качестве источника энергии. Далее они могут внедряться даже в составе небольших электростанций.
Принцип работы топливных элементов известен уже более 150 лет, однако только в последние десятилетия характеристики энергоустановок на их основе достигли значений, обеспечивающих конкуренцию как с ДВС, так и с аккумуляторами. Это произошло за счет улучшения характеристик самих топливных элементов и сопутствующего оборудования, в частности баллонов высокого давления. Основной проблемой является практически полное отсутствие инфраструктуры для заправки водородом.
Современные топливные элементы по многим параметрам превосходят литий-ионные аккумуляторы, однако их достаточно сложно и дорого изготавливать, в том числе из-за высокой стоимости ионообменных мембран.
Одним из основных компонентов топливных элементов является ионообменная мембрана. Технологии ее создания являются стратегически важными для отечественной промышленности на текущий момент, в частности для полного цикла производства отечественных водородных энергоустановок для транспорта и беспилотной техники.
Молодые ученые из МФТИ активно разрабатывают технологию создания протонпроводящих мембран на базе перфторированных сульфокатионитных полимеров, пригодных для производства современных водородных топливных элементов. Эта технология будет внедрена уже в ближайшее время.
