Принципы работы топливных элементов для БЛА

Схемы топливного элемента (ТЭ) вырабатывают электричество непосредственно из химической энергии с использованием электрохимической реакции. Эффективность такого преобразования выше или на уровне наиболее эффективных двигателей внутреннего сгорания.

Рабочее напряжение и ток зависят от количества элементов батареи. Максимальный ток определяется площадью поперечного сечения каждого элемента, определяющего способность накопления энергии батареи топливных элементов. Для правильной работы топливного стёка требуется вспомогательное оборудование, так называемый «баланс завода», и это оборудование делает конструкцию более сложной и утяжелённой.

Название каждой разновидности ТЭ происходит от источника водорода и типа электролита, который используется. Топливным элементом используется химическая энергия от внешних источников – водорода и кислорода, взятых обычно из окружающего воздуха.

Внутри топливного элемента горения нет – окисление водорода осуществляется электрохимическим способом, когда атомы водорода вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя воду. Во время этого процесса освобождённые электроны, протекающие через внешнюю цепь, создают электрический ток. Размерность ТЭ допускает, как миниатюрное исполнение на производство нескольких ватт мощности, так и габаритное исполнение под производство мегаватт мощности.

Рис. 1. Структурная схема установки: 1 – водород; 2 – кислород; 3 – топливная ячейка (PEM); 4 – контроллер; 5 – преобразующая электроника; 6 – мотор постоянного тока; 7 – вал мотора; 8 – пропеллер

Все топливные элементы состоят из двух электродов, разделенных твёрдым или жидким электролитом, несущим электрически заряженные частицы. Для ускорения реакций, на электродах часто используется катализатор.

Эффективность силовой установки БПЛА на топливных элементах

Приблизительные значения, включая также эффективность различных топливных элементов, применяемых в беспилотных летательных аппаратах, показаны в таблице. Видно, что свойства топливных элементов в области эффективности относительно высоки. Однако если принять во внимание эффективность всей системы движения беспилотного летательного аппарата, результаты отмечаются на уровне существенно худшем.

Таблица

Свойства ТЭ, используемых в конструкциях современных БПЛА

В целом, как и в «классических» системах, содержащих двигатель внутреннего сгорания, движитель топливного элемента имеет сравнительно низкий общий КПД.

Принимая во внимание полную цепочку преобразования энергии, общая эффективность достигает 25–30%. Однако на этом уровне двигательная установка является многообещающей благодаря упомянутым характеристикам, таким как, например, низкий акустический и тепловой след БПЛА.

Водород в настоящее время является основным топливом для БПЛА, работающих на топливных элементах, но низкая плотность водорода при стандартных условиях (0,089 кг / м3) влияет на вопросы эффективного хранения, что является существенной проблемой для БПЛА;

Способы хранения водорода

Наиболее естественным способом хранения водорода является сжатие. Этот метод требует использования относительно легких композитных бутылок, выдерживающих давление около 70–80 МПа. Другими альтернативными методами являются хранение водорода в сжиженном состоянии, требующее, однако, криостатических сосудов и выделения водорода из химических соединений. Например, водный раствор NaBH4;

Следующие важные вопросы топливных элементов требуют решения:

• функциональная надежность,
• устойчивость к рабочему давлению,
• связь с высотой полёта,
• надлежащее управление водой топливного элемента.

Управление водой особенно связано с PEM, построенным из сульфатированных фторполимерных мембран (например, типа «Nafion»). Хорошая гидратация является условием правильной работы этих мембран. Высушенная мембрана обладает высоким электрическим сопротивлением, что приводит к большим потерям и тепловыделению. Это причина, почему применяется увлажнение газов, участвующих в химической реакции в топливных элементах;

Беспилотные летательные аппараты, работающие на водородных топливных элементах, имеют преимущество перед дронами, приводимыми в действие батареями. Для первых длительность полёта ограничена только подачей водорода, но необходимость периодической дозаправки всё еще остается актуальной.

Методы хранения топлива влияют на возможности дронов заправляться, что особенно важно для военных применений, где в полевых условиях быстрая дозаправка может иметь важное значение в успехе миссии.

Пример использования ТЭ на малых БПЛА

Типичным примером современных эффективных систем подачи на основе сжатого водорода может быть топливный элемент H1 мощностью 1800 Вт, разработанный китайскими специалистами. Эта система топливных элементов предназначена для беспилотных летательных аппаратов с длительным сроком службы и применяется, в частности, к мультикоптеру HyDrone 1550 MMC. Согласно заявлению производителя, топливный элемент H1 позволяет профессиональным беспилотникам оставаться в воздухе до 150 минут.

Рис. 2. Система топливных элементов беспилотного летательного аппарата

Представленная на рисунке разработка включает в состав несколько основных элементов:

• батареи топливных элементов,
• системы управления,
• водородного бака,
• вспомогательной батареи Li-Po.

Блок топливных элементов состоит из 60 графитовых пластин, охлаждаемых четырьмя управляемыми вентиляторами. Система хранения состоит из баллона сжатого водорода с оборудованием – воздушным клапаном и датчиком высокого давления. Система управления состоит из двух электромагнитных клапанов, датчика низкого давления, радиоприёмника и персонального компьютера.

Специалисты MMC заявляют о времени действия этой системы до 1000 часов, а также относительно защиты от низкого (<8 МПа) и избыточного (>37 МПа) давления водорода.

Отмечается ряд проблем, связанных с применением топливных ячеек для питания дронов, требующих решение:

• по эффективности методов хранения водорода (в виде сжатого газа или в химических соединениях);
• по облегчению конструкции и повышению эффективности топливных ячеек;
• по разработке аккумуляторов с высокой удельной энергией для основного и вспомогательного источников питания;
• по разработке систем топливных элементов, предназначенных для корректной работы на большой высоте в условиях низкой температуры и низкой концентрации кислорода;
• по совершенству алгоритмов управления для оптимального использования энергии гибридных силовых установок.