Несмотря на международные попытки снизить выбросы парниковых газов в ряде отраслей, выбросы транспортной отрасли в последнее время возросли. В ответ ряд стран обнародовали планы повсеместного продвижения продаж личных автомобилей с нулевым уровнем выбросов. Но двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на сегодняшний день являются чрезвычайно распространённым видом на транспорте и вносят основной вклад в экологические проблемы. Стремясь остановить растущее ухудшение состояния окружающей среды, многие учёные и изобретатели всего мира интересуются разработкой электромобилей (EV — electric vehicles).

FCEV также называются транспортными средствами на топливных элементах. Фундаментальный компонент этих автомобилей — топливные элементы, в которых используются органические реакции для получения электрической энергии, — отсюда они и получили своё название. В топливном элементе водород и кислород смешиваются для получения электричества, тепла и воды. Их часто называют «транспортными средствами на водородных топливных элементах», поскольку водород является предпочтительным топливом для выполнения этой задачи. Колеса приводятся в движение электродвигателем, который питается электрической энергией, излучаемой топливным элементом.

Электромобили с аккумуляторной батареей (BEV — Battery electric vehicles) и электромобили на топливных элементах (FCEV — fuel cell electric vehicles), выхлопные трубы которых не выделяют никаких вредных веществ в атмосферу, являются примерами автомобилей с нулевым уровнем выбросов. Вторые следует рассматривать, как дополнительную технологию, которая поможет транспортным средствам с батарейным питанием достичь желаемой цели дальней мобильности, особенно в ситуациях, когда клиенты требуют большего запаса хода и где использование батарей будет недостаточным из-за громоздких аккумуляторных отсеков и трудоёмкой/долгой перезарядкой.

Отказ от автомобилей, использующих ископаемое топливо, особенно большегрузных, всё же имеет определённые препятствия, которые необходимо преодолеть. Например, цена на электромобили, особенно с большим запасом хода, которая довольно высока, и отсутствие инфраструктуры зарядки, что вызывает проблемы при междугородных перевозках. Ключевые источники новой энергии сегодня, которые помогают энергетическому сектору в достижении низких выбросов углекислого газа, включают возобновляемые источники: солнечную и ветровую энергию, гидроэнергетику, атомную энергию и водородное топливо. При этом, в транспортной промышленности именно «зелёный водород» является резервной формой применения. В мире продаются четыре различных типа электромобилей: полностью электрические, авто на топливных элементах, гибридные и подключаемые гибридные автомобили.

Технологии на аккумуляторной тяге могут быть дополнены FCEV, особенно в приложениях, требующих увеличения дальности действия и мощности, где использование батарей не сможет удовлетворить требованиям потребителей. В классической системе электромобилей на топливных элементах используется тяговая система, которая приводится в действие электрической энергией, генерируемой топливным элементом и батареей, работающими вместе, в то время как гибридные электромобили на топливных элементах (FCHEV — fuel cell hybrid electric vehicles) сочетают топливный элемент с аккумулятором или системой хранения на ультраконденсаторах, в качестве источника энергии. И там и там топливный элемент (ТЭ) производит электричество, используя водород. Чтобы обеспечить большую мощность при ускорении, двигатели FCEV также имеют возможность рекуперации мощности торможения. Поскольку водород служит основным топливом, объем используемого водородного топливного бака определяет, сколько энергии может быть доставлено в его систему. Это означает, что размер батареи не влияет на количество доступной энергии. К концу 2020 года в зоне транспортировки по всему миру эксплуатировалось около 35 000 электромобилей FCEV, что свидетельствует о быстром распространении этой технологии.

В целях управления такими гибридными электромобилями используются различные стратегии управления, включая PID-контроллеры, управление на основе нечёткой логики, управление с прогнозированием модели или прогнозирующего управления, а также эквивалентные средства управления минимизацией потребления. Для гибридных электромобилей была разработана также гибридная система хранения энергии с комбинированной архитектурой и методом управления питанием.

В нынешней транспортной системе существует большой спрос на технологию аккумуляторных электромобилей (BEV), но существуют значительные препятствия для дальнейшего внедрения этой технологии. К ним относятся низкая удельная плотность энергии, перегрев, химические выбросы, механические аварии, короткие замыкания и пока недостаточно хорошие системы управления батареями. Будущей технологией, которая будет поддерживать чисто электрическую мобильность и нулевой уровень выбросов выхлопных газов, является технология гибридных электромобилей на основе топливных элементов. Несмотря на то, что они кажутся лучшим вариантом решения, потенциал для улучшения всё ещё существует, так как короткая силовая реакция и высокая интенсивность испарения являются двумя основными недостатками, которые мешают более широкому использованию. Кроме прочего, отсутствие водородных заправочных станций является основным препятствием для внедрения этих машин повсеместно.

Основные соображения безопасности организации процесса эксплуатации и заправки включают сдерживание/предотвращение утечки опасного водорода из топливного бака. Чтобы сделать технологию жизнеспособной и вызывающей доверие потребителей перед конкурентами (обычными ТС), потребуется преодолеть ряд технологических и финансовых препятствий. Топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEMFC) являются лучшими топливными элементами для этой разновидности гибридов. Хотя плотность энергии и превосходство в точности дозирования протонно-обменной мембраны уже достигнуты, всё ещё необходимы дополнительные усовершенствования, чтобы полностью соответствовать элементарным критериям рентабельности системы.

Но платина является дорогим материалом, который служит катализатором, используемым в мембране для функционирования. Это объясняет, почему топливные элементы стоят пока так дорого. Дополнительными факторами, влияющими на стоимость вообще любых водородных систем, является надёжность исполнения всех элементов. Ещё одной проблемой для северных регионов стал холодный запуск двигателя. Иными словами, автомобили должны быть способны запускаться при минусовых температурах. А ведь Вода в датчиках топливных элементов образует лёд, когда температура упадёт ниже 0 °C, который заполнит апертурное отверстие. Хотя теоретически возможно использовать технологию гибридизации для нагрева ТЭ выше 0 °C, чтобы обеспечить возможность замерзания воды. Нарастание льда и закупорка становятся неважными, когда температура топливного элемента поднимается выше 0 °C, поскольку капиллярное воздействие поможет уничтожить влагу, образующуюся в зондах. Таким образом, качество холодного запуска можно повысить, выбрав правильные характеристики проницаемости и теплоёмкости. Согласно утверждениям производителей, двигатели Toyota Mirai и Hyundai NEXO FCEV уже сейчас могут запускаться при температуре до -30 °C.

Учитывая, что водород является очень чувствительным газом и что его хранение на борту представляет собой риск, важно обеспечить безопасность хранения водорода и гарантировать безопасность транспортных средств даже при тяжёлой аварии. Но эту проблему уже, похоже, решили достаточно просто, за счёт использования резервуара для хранения, изготовленного из непористого композитного материала (как для других горючих газов, наподобие пропана). Более значимой проблемой сейчас видится преодоление высокой стоимости топливных элементов. В настоящее время себестоимость производства топливных элементов составляет примерно $45/кВт, но конечная цель — достичь стоимости 30 долларов за кВт, что позволит конкурировать с ДВС. Цель в 30 долларов за кВт приведёт к тому, что комплект топливных элементов Toyota Mirai мощностью 114 кВт будет стоить всего около 3400 долларов (сейчас она составляет не менее половины стартовой цены всего автомобиля в 58 500 долларов). Цель для электрических автобусов и грузовиков видится производителям до 400 000 долларов за автобус, что является значительным снижением с диапазона 1,3 — 1,8 миллионов долларов. Платиновые слои катализатора составляют значительную часть наполнения топливного элемента, составляя более 40% этой стоимости. Но уже появились разработки с более дешёвыми сплавами, полностью заменяющие дорогую чистую платину, в качестве электрокатализатора.

На производительность влияет характеристика системы хранения водородного топлива, которая зависит, как от режима хранения, так и от архитектуры системы. Как правило, гибридные электромобили имеют системы хранения разной ёмкости. Но если с бензиновыми гибридами всё более-менее просто, то с водородными двигателями это очень важный параметр, влияющий также на безопасность эксплуатации. В отличие от подзаряжаемых бензиновых гибридов PHEV, которым требуется значительно меньшая структура хранения (от 26,3 до 77 Втч/кг), обычным электромобилям требуется более крупная система хранения (от 34,5 до 140 Втч/кг). И наоборот, батареи электромобилей имеют меньшую энергоёмкость (от 40 до 255 Вт/кг) по сравнению с батареями неподзаряжаемых гибридов HEV (от 77 до 745 Вт/кг). А вот для водородных гибридов, чтобы решить проблему холодного запуска, требуется временного потребление с большой удельной мощностью, а поэтому автомобиль FCHEV должен обладать предельным превосходством, как по удельной ёмкости, так и по мощности. Эти устройства хранения стоят дорого, а политика их переработки ещё не реализована.

Придётся преодолеть несколько технологических трудностей, в том числе более высокие первоначальные затраты при покупке такого ТС, значительная стоимость замены ТЭ, сравнительно огромные размеры, контроль за надлежащим исполнением и прочностью. Кроме того, предстоящими препятствиями являются развитие прибыльных производственных мощностей и исследование срока службы топливных элементов в полевых условиях.

Среди прочего, подобно электромобилям, «зелёные» гибриды сталкиваются с проблемами тяговых двигателей и механизмов управления ими, случаями отказа точечных и инверторных датчиков тока. Работа по созданию машин без датчиков или сокращению их отказов в инверторе всё ещё активно продолжается многими фирмами. Для эффективного сотрудничества нескольких производителей был создан консорциум и банк знаний на серверах независимого дата-центра. Развитие недорогих вечных магнитов, устойчивых к высоким температурам, повысит надёжность, скорость и применение приводов с постоянными электромагнитами. Именно поэтому сейчас прерогативой разработок становится изобретение более компактных и лёгких двигателей, с широким рабочим диапазоном, с большим крутящим моментом и более длительным сроком службы.