В авиации вес — это критический параметр, особенно, когда вы говорите об аппарате вертикального взлета и посадки, используемого в роли воздушномго такси eVTOL.
Почти каждая компания, стремящаяся попасть на этот перспективный рынок, создает свои прототипы с использованием литиевых батарей, но простой факт заключается в том, что литиевые батареи имеют слишком маленькую плотность энергии.
Коммерческие воздушные такси должны будут летать весь день, а не тратить долгие часы на подключение к зарядным станциям, поэтому каждая компания, которая планирует использовать литий в аккумуляторах, мечтает о том, чтобы исследователи придумали волшебный трюк, который удвоит или утроит емкость лучших аккумуляторов, имеющихся на сегодняшний день.
Это вполне может произойти, но водород все больше начинает выглядеть отличной альтернативой литиевым аккумуляторам. Конечно, когда речь идет о наземном транспорте, это кажется слишком сложным и слишком дорогим удовольствием, но в электрической авиации это может оказаться идеальным вариантом использования.
Водород предлагает гораздо более высокую плотность энергии, обещая отличную продолжительность полета, и позволяет вам заправляться топливом в считанные минуты, точно так же, как вы доливаете топливо в бензобак вашего автомобиля.
Действительно, некоторые компании уже начинают делать ставки на это. Компания Skai из США стремится выйти на рынок eVTOL со своими пятиместными самолетами с шестью роторными, которые, по их предположениям, смогут находиться в воздухе четыре часа и преодолеть расстояние 644 км, прежде чем вам нужно будет долить топливо в водородные баки.
Но американский стартап сетует, что для идеальной трансмиссии eVTOL все еще не хватает самой «малости»: легкого и мощного топливного элемента.
Схема работы топливного элемента очень проста.
Водород подается на сторону анода, где платиновый катализатор расщепляет его на положительно заряженные ионы водорода или протоны и отрицательно заряженные электроны. Протонообменная мембрана пропускает только протоны в сторону катода, создаваемый при этом электрический потенциал притягивает электроны в другую сторону по внешнему пути. На этом внешнем пути размещена электрическая нагрузка.
Когда электроны прибывают на другую сторону, они встречают протоны в присутствии кислорода, и происходит вторая электрохимическая реакция с образованием воды. Чистая вода вытекает из топливного элемента и является единственным «выхлопом» процесса.
Конструкция топливного элемента Hypoint "с турбонаддувом"
Начиная с 2018 года, компания HyPoint приступила к созданию низкотемпературных систем топливных элементов с протонообменной мембраной (LTPEM) для беспилотных систем промышленного класса. Но после переезда в Силиконовую долину и принятия в программу Alchemist Accelerator, компания начала искать более крупную цель.
«Когда мы приехали в Соединенные Штаты, мы увидели огромный потенциальный рынок мобильной городской перевозки», - говорит доктор философских наук Алекс Иваненко. «Основными требованиями этого рынка являются мобильность, компактность и плотность энергии. Современные основные силовые агрегаты построены на литиевых батареях, которые имеют фундаментальный технический барьер. Существующие литиевые батареи имеют низкую плотность энергии, в то время как существующие топливные элементы имеют низкую удельную мощность . Мобильный воздушный транспорт требует как высокой удельной мощности, так и высокой удельной энергии. Не существует источника энергии, который мог бы одновременно удовлетворить оба требования. Ни литий, ни топливные элементы ".
Прогнозируя, что подходящая технология литиевых батарей может появиться через 15 лет, команда HyPoint начала концентрировать свои усилия на разработке топливных элементов, специально предназначенных для eVTOL. Чтобы обладать малым весом и стабильно работать, конструкция должна иметь воздушное охлаждение, поэтому топливные элементы с жидкостным охлаждением, которые хорошо работают в автомобильном мире, но из-за сопутствующих баков с охлаждающей жидкостью и насосов добавляют лишнюю массу, которая буквально не позволяет подняться в небо.
Современные топливные элементы с воздушным охлаждением имеют ограниченную мощность и срок службы и работают только при температуре от -5 до +30 ° C . Поэтому команда HyPoint решила разработать то, что они называют «топливным элементом с турбонаддувом и воздушным охлаждением».
«Мы повышаем мощность батареи топливных элементов, помещая ее в воздуховод, где вентиляторы продавливают под давлением, увлажняют и термостабилизируют воздух», - говорит Иваненко. «Давление воздуха поддерживается на уровне около 3 бар внутри системы, а воздух с пониженным содержанием кислорода подается через регулирующий клапан и заменяется свежим сжатым воздухом с нормальным содержанием кислорода».
Преимущества топливных элементов с турбонаддувом
Дополнительный кислород, подаваемый на катод блока топливных элементов в сочетании с новой технологией высокотемпературной протонообменной мембраны (HTPEM), разработанной HyPoint, позволяет подавать в топливный элемент в три раза больше водорода, чем в традиционной конструкции, что позволяет увеличить в три раза его удельную выходную мощность без добавления каких-либо охладителей. А это, в свою очередь, может привести к существенному снижению веса самолета VTOL.
С учетом всех усовершенствований, система HyPoint выдает 2000 ватт мощности на килограмм массы, притом что лучшие из топливных элементов с жидкостным охлаждением обеспечивают мощность 150-800 Вт / кг, а топливные элементы с воздушным охлаждением - около 800 Вт / кг.
У системы есть и другие огромные преимущества, говорит Иваненко; она может использовать «грязный» водород, чистый только на 99 процентов, который в разы дешевле очищенного водорода на 99,999 процентов, который используется в системе LPTEM. «Это значительное снижение важного эксплуатационного параметра для коммерческой системы eVTOL», - добавляет он.
Он работает при более или менее любой реальной температуре, от -50 до +50 ° C и выше. И пока он еще находится в лаборатории на данном этапе, команда прогнозирует, что эти топливные элементы будут работать около 20 000 часов без технического обслуживания, тогда как системы LTPEM обычно работают около 5000 часов - еще один очень важный фактор для коммерческого оператора.
Следующие шаги
HyPoint был в контакте с рядом крупных игроков на развивающемся рынке eVTOL в США, Европе и Австралии, говорит Иваненко, но неразглашении ограничить его от упоминания их имени только все же, за исключением ZeroAvia и Бартини .
«Мы наблюдаем большой интерес со стороны многих компаний из США, Европы и Австралии», - говорит он. «Мы считаем, что нашли решение для них. Многие из них просят нас проверить нашу технологию с помощью прототипа, потому что мы до сих пор проверяли ее только в лаборатории. Мы согласны с этим. Поэтому наш план развития в этом году предполагает постройку прототипа мощностью от 15 до 20 кВт, чтобы подтвердить нашу технологию. Затем последует реализация полномасштабного прототипа, мощностью 150-200 кВт в 2022 году».
Безопасность
Некоторые специалисты считают, что водороду не место в авиации.
И их мнение имеет под собой основание, потому что очень трудно переключиться от традиционной энергетики на водородную. Но это будет продолжаться до поры до времени. А пока компания будет ориентироваться на крупные бизнесс компании, которым важна эффективность и производительность, подчеркнул Иваненко.
«Да, 100 лет назад произошла масштабная катастрофа со взрывом немецкого дирижабля «Гинденбурга», который был накачан водородом. Но мы должны понимать, что водород, кислород, пропан и природный газ находятся в одном классе взрывоопасных легковоспламеняющихся газов.
Специального класса опасности для водорода не существует. К тому же он является самым легким газом, который самопроизвольно не может достичь такой опасной концентрации, чтобы вызвать взрыв. Кислород в этом плане гораздо опаснее. Хотя это не отменяет строгие правила безопасности обращения с водородом»
Далее он отметил, что водит автомобиль Toyota Mirai, работающий на водороде. «Это было тщательно протестировано производителем с точки зрения безопасности при столкновении. Любой производитель водородных силовых агрегатов понимает, какие шаги необходимо предпринять, чтобы получить соответствующий сертификат безопасности для конкретного применения, и мы ничем не отличаемся».
Вполне возможно, что технология литиевых батарей сделает скачок в увеличении плотности энергии в ближайшие пять лет, как раз в то время, когда большинство компаний eVTOL надеются, что они будут готовы начать коммерческие полеты воздушного такси. Возможно, батареи в 2025 году будут иметь огромные емкости, малый вес, сверхбыструю зарядку и будут соответствовать всем необходимым критериям безопасности. Но вполне возможно, что они этого не сделают, и если это так, то инновационные компании в области водорода, такие как HyPoint, вполне могут оказаться в очень выгодном положении.
