Коли мова заходить про нові джерела енергії, енергія вітру, гідроенергії, сонячної енергії та атомної енергетики є добре відомими, і більшість із них є улюбленцями ринку капіталу. Однак водень, як не менш значний суперник, залишається відносно невідомим і не має чіткої видимості. Тим не менш, часи змінюються. Шанхайська імпортна виставка в листопаді 2021 року зламала цю традицію. Японська Toyota вперше продемонструвала в Китаї легковий автомобіль другого покоління Mirai на водневих паливних елементах. Він може похвалитися максимальним запасом ходу в 850 кілометрів, перевершуючи більшість літієвих двигунів нової енергії транспортних засобів за один удар.
У наш час т.зв.транспортний засіб з водневим двигуном" відноситься саме до автомобілів на водневих паливних елементах. Однак, на відміну від літій-іонних акумуляторів, водневі паливні елементи по суті є пристроями, які генерують електричну енергію за допомогою хімічної реакції між воднем і киснем. Кінцевим побічним продуктом цієї хімічної реакції є виключно вода, на відміну від звичайного палива транспортні засоби, які викидають такі речовини, як оксиди вуглецю, оксиди азоту та оксиди сірки. Тому водень вважається джерелом енергії, здатним досягти «нульових викидів».
У водневих паливних елементах титан відіграє вирішальну роль.Виготовлені з титану біполярні пластини у водневих паливних елементах мають малу товщину, відмінну провідність, хороші теплові властивості, високу механічну міцність і ефективну газоізоляцію. Ці характеристики допомагають підвищити щільність потужності клітини. Японський автомобіль Toyota MIRAI на паливних елементах використовує біполярні пластини з титану. Крім того, газодифузійний шар (GDL або PTL), що становить 17% вартості електролізера, використовує високоефективний промисловий титан як основний матеріал анода, що дозволяє досягти максимальної активності.
Основний принцип роботи водневих паливних елементів передбачає проходження водню через каталізатор (платину) на позитивному електроді елемента, де він розкладається на електрони та іони водню. Потім іони водню рухаються через протонообмінну мембрану, щоб досягти негативного електрода, де вони реагують з киснем, утворюючи воду та тепло. Одночасно електрони течуть від позитивного електрода через зовнішню ланцюг до негативного електрода, виробляючи електричну енергію.
Простіше кажучи, водень і кисень поєднуються в паливному елементі, виробляючи електроенергію та воду. Електрика приводить в дію транспортний засіб, тоді як вода є єдиним побічним продуктом, який виділяється з автомобіля.
Завдяки цьому принципу роботи водневі паливні елементи мають три важливі переваги:
По-перше, чистота: Єдиним побічним продуктом є вода, що дозволяє уникнути викидів вуглекислого газу.
По-друге, безпека:Електрохімічний процес, який приводить у дію водневі паливні елементи, знижує ризики самозаймання або вибухів, на відміну від систем, заснованих на спалюванні.
По-третє, зручність: Hгазоподібний водень можна стискати, полегшуючи його транспортування та зберігання.
Важливо відзначити, що паливні елементи в автомобілях, що працюють на водні, відрізняються від звичайних хімічних батарей. Паливний елемент сприяє електрохімічній реакції між воднем і киснем без спалювання, утворюючи воду як побічний продукт і вивільняючи електричну енергію.
Електрична енергія в транспортних засобах на водневих паливних елементах генерується миттєво через реакцію між накопиченим воднем і атмосферним киснем у паливних елементах, на відміну від електромобілів, які накопичують енергію із зовнішньої мережі перед її використанням. Тому, незважаючи на назву «паливний елемент» у водневих транспортних засобах, їх процес виділення енергії більше схожий на двигуни внутрішнього згоряння (реакція бензину з зовнішнім киснем), ніж процес накопичення енергії в електромобіліх.
Подібно до транспортних засобів з двигуном внутрішнього згоряння, найдорожчим компонентом автомобіля на водневих паливних елементах є пристрій для генерації енергії, а не накопичувач енергії (наприклад, в електромобіліх найдорожчим компонентом є батарея, а всередині батареї це анод, катод і електроліт). Зокрема, це паливні елементи, а не резервуар для зберігання водню.
Через відносно високу вартість систем водневих паливних елементів, особливо блоку паливних елементів, на поточному етапі витрати на виробництво водневих автомобілів вищі, ніж у чисто електричних транспортних засобів і традиційних транспортних засобів з двигуном внутрішнього згоряння. Цей фактор витрат залишається суттєвим обмеженням у розвитку індустрії автомобілів на водневих паливних елементах.
