НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Представьте себе, мультикоптер, летающий в течение нескольких часов и перезаряжающийся всего за несколько минут, устойчивый к воде и пыли, непроницаемый, способный выполнять полетные миссии со всеми функциями, такими как GPS, автоматические посадка и возвращение домой и т.д. Думаете это невозможно? Однако в китайском городе Шэньчжэнь почти что делают чудеса, используя в качестве ингредиентов воздух и водород. Там создан мультикоптер с мировым рекордом 2016 года по времени парения и обладающий всеми современными технологиями на борту. Ключевой особенностью мультикоптера являются топливные элементы.

Будущее беспилотников, и не только, будет связано с использованием топливных элементов, интерес к которым сейчас проявляют многие автопроизводители, и в первую очередь Тойота. Они стремятся сделать доступной технологию, которая позволит производить электроэнергию в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом воздуха с нулевым воздействием на природу и решающую проблемы автономности и подзарядки, которыми страдают электрические транспортные средства. Реализации такой технологии в топливных элементах мешают стоимость и трудности в получении и хранении «топлива», используемого для реакции, т. е. водорода.

В технологическом центре городе Шэньчжэнь (Китай), компанией MMC был разработан проект беспилотного летательного аппарата “HyDrone” при участии малого бизнеса. MMC – это компания, которая имеет 30 инженеров и 6 лет научно-исследовательского стажа работ в области применения топливных элементов в летательных аппаратах. Технический директор компании отмечает, что технология мультикоптеров имеет три новых узких места, а именно: время полета, контроллер полета и передача видео на землю, из которых полетное время самая большая ограничивающая применение аппаратов проблема. В MMC очень много работали для оптимизации литий-полимерной (LiPo) батареи питания дрона А6-ПЛЮС. Изготовив шасси из углеродного волокна с пропеллерами и летный контроллер, удалось получить 70 минут полета, которые уменьшились до 35 минут при взятии устройством 5 кг полезной нагрузки. К сожалению, 35 минут полетного времени это предел того, что можно было достигнуть с LiPo источником тока, так как дальнейший рост объема батареи увеличивал её вес вплоть до того, что двигатели начинают работать только на поддержку самой батареи.

По этой причине MMC работал над устранением узкого места, реконструируя систему питания двигателей при разработке беспилотника HyDrone-1550 c первыми топливными элементами на водороде. Этот мультикоптер был способен зависать в воздухе на 150 минут без полезной нагрузки. Никакие другие решения с LiPo источником тока не принесли результатов достойных внимания, включающих облегчение шасси, оптимизацию системы пропеллер-двигатель и т.п., пока не применили топливный элемент, с которым всё изменилось.

Мультикоптеры используются в армии, многими нефтяными компаниями и электроэнергетиками, и все они просят для БЛА возможность перемещения на большие расстояния, большое полетное время, возможность обследования больших площадей, тихую охрану границы, поэтому фирма разработала мультикоптер с коммуникационными модулями большой дальности и временем полета, превышающим 2 часа и единственным способом дать ему достаточно энергии — это использование топливных батарей.

Излишне говорить о том, что HyDrone-1550 выиграл много тендеров на покупку в Новой Зеландии, на Аляске и Китае, где находятся большинство клиентов фирмы MMC. В настоящее время разработано второе поколение мультикоптеров, представителем которого в 2016 году стал HyDrone-1800, с системой улучшенных топливных элементов, гарантирующих полет дольше 260 минут, но фирма не останавливается на этом и проводит разработку третьего поколения, которое будет обладать улучшенным полетным контроллером, защищенной от вторжения с земли линией связи, устойчивостью к дождю и грязи. Что касается питания, то по данным из интернета максимальная мощность топливных элементов уже составляет 1800 Вт с диапазоном напряжения от 33.3V до 60V, зависящем от выходной мощности. В отличие от аккумуляторов, которые теряют напряжение в прогрессивной манере, топливные элементы имеют напряжение, зависящее от стека (количества) подключенных последовательно элементов и потока водорода к ним.

Новый мультикоптер имеет топливный элемент со сроком службы до замены в 1000 часов, композитный цилиндрический сосуд емкостью 9 литров и весом 3 кг для хранения топлива -  водорода и вспомогательный LiPo аккумулятор на 3300 мАч для экстренной посадки беспилотника в случае неисправности топливного элемента.

Что представляет из себя топливный элемент?

Схематически топливный элемент состоит из трех физических элементов: двух электродов и промежуточного слоя из материала, проницаемого для ионов и изолирующего электролит. Все три элемента имеют приблизительно одинаковую форму и собраны как листы в пакет, имеющий общую толщину около миллиметра. Как показывает рисунок справа, водород поступает на анод, где разделяется на два положительных иона H⁺, которые проходят через мембрану, а электроны путешествуют по электрической цепи давая энергию подключенным устройствам (двигатели, фары и т.п.). На катоде ионы водорода взаимодействуют с кислородом воздуха с образованием воды и тепла, замыкая процесс. На самом деле в топливном элементе водород не сгорает, как можно было бы подумать, а выступает в роли носителя энергии, преобразуясь на специальном катализаторе электродного слоя. Из существующих многих типов топливных элементов для использования в мультикоптере наилучшим является топливный элемент с полимерэлектролитной мембраной или в международной классификации PEMFC. В роли проницаемой для ионов мембраны здесь используется фторполимерная мембрана типа "Nafion" (в России МФ-4СК), представляющая собой сополимер тетрафторэтилена и сульфосодержащего фтормономера (в России ФС-141). Эффективность топливной ячейки весьма высока и может достигать 50%. Благодаря облегчению конструкции и уменьшению толщины PEMFC оказывается возможным собрать "стек" из топливных ячеек, размером чуть больше двух 6S LiPo аккумуляторов на 5000 мАч каждый и производящим в 8 раз больше энергии! В то же время PEMFC уступают аккумуляторам по соотношению мощности к единице веса в пропорции 1000 Вт/кг к 3000 Вт/кг для LiPo аккумулятора.

Несмотря на все сложности с производством топливного элемента, включающие дороговизну фторполимерной мембраны и содержащего платину катализатора, необходимость закачки  водорода под давлением в 350 атм в сосуд из специальных материалов, многие компании делают ставку на развитие именно этой технологии.

Источник: https://www.dronezine.it

#nafion #PEMFC #FuelCell #МФ4СК #фторопласт #фторполимер #fluoropolymer