Топливный элемент — продукт наиболее изощренной технологической мысли, который обеспечит долгосрочный ответ на проблему вредных выбросов в атмосферу и исчерпания нефтяных запасов. Основной принцип топливного элемента заключается в том, что он повторяет школьный лабораторный эксперимент по электролизу, в котором электрический ток, проходящий через воду, разлагает ее на кислород и водород. В топливном элементе кислород (из воздуха) и водород заполняют противоположные стороны слоя реактива, в котором, с помощью катализатора, они образуют воду и в процессе этой реакции производится электрический ток. Было разработано несколько типов топливных элементов, хотя только один тип, протонно-обменная мембрана (proton exchange membrane — «РЕМ»), работает при довольно низких температурах (порядка 80°С), что делает возможным их применение в транспортных средствах. Однако в конце 90-х, топливный элемент РЕМ казался очень большим, дорогим и малоэффективным. Провал в надеждах на широкое использование электромобилей привел к массовым исследовательским программам по топливным элементам, потому что топливные элементы оказались единственно достойной альтернативой, имеющей те же самые экологические преимущества. Можно с уверенностью сказать, что процесс был очень быстрым и к 1999 году многие из производителей автомобилей, включая Daimler Chrysler, Ford, General Motors, Honda и Toyota, продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительной работоспособностью и поведением, хотя они продолжали иметь высокую стоимость.


Некоторый вид прогресса заметен в демонстрационных моделях Daimler Chrysler NECAR. Компания выступила с этой моделью впервые в 1994 году, когда ее NECAR I представлял собой минивэн, в котором оставалось место только для водителя, а все остальное пространство занимал экспериментальный силовой узел. Двумя годами позже NECAR II, выполненный на базе минивэна V-класса, имел уже шесть мест для пассажиров, а силовая установка располагалась в задней части под полом. К 1999 году в автомобиле NECAR 4, изготовленном на базе маленького А-класса, вся система топливных элементов размещалась под полом, оставляя место для четырех пассажиров и багажа.


Теоретически топливные элементы не производят ничего, кроме электричества и воды. Практически картина не так проста, хотя потенциальные проблемы связаны в основном с преобразованием топлива, бензина или метанола, в водород, необходимый для топливного элемента. Альтернатива заключается в использовании в автомобиле сжатого или сжиженного водорода, но в этом случае заправка автомобиля не настолько удобна. Хотя в 1999 и 2000 годах возникали горячие дебаты по поводу предпочтительных видов топлива между сторонниками бензина, метанола и водорода, каждый из которых отстаивал свою точку зрения. Использование бензина — самый простой способ, несмотря на то, что требуемый бензин должен иметь совсем другие характеристики, чем сейчас: неэтилированный, с полностью исключенными добавками и примесями (особенно серой). Бензин стоит перед проблемой, которая рано или поздно наступит: он станет очень дорогим, когда исчерпаются основные запасы. Кроме того, использование бензина мало поможет в решении проблемы с выбросами С02. Топливные баки могут быть заправлены метанолом точно так же, как бензиновые, но очевидно, что нужна полностью новая сеть заправочных станций, распределение и заправочные колонки. Использование водорода может сделать систему на топливных элементах гораздо проще, но возникнут огромные сложности при решении вопросов в отношении того, как хранится топливо, передается и распределяется, что потребует принятия серьезных мер безопасности.


Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 году французский ученый Карно доказал, что двигатель внутреннего сгорания, работающий циклами расширения и сжатия, не может иметь эффективность более 50% при преобразовании тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь большую эффективность, чем 50%, и особенно выгодны при низких нагрузках, на которых двигатели внутреннего сгорания значительно теряют свою эффективность.


Экономические преимущества топливных элементов могут быть еще больше, если их применять как часть гибридного автомобиля с энергетическим буфером, который дает возможность полного управления энергией, включая регенерацию, что приведет к дальнейшему улучшению эффективности. Между специалистами по топливным элементам не утихают дебаты о том, что лучше: иметь «стабилизированный» топливный элемент с энергетическим буфером и управляющей системой, сглаживающей при необходимости все пики и провалы, или сделать элемент «приемистым», способным при необходимости изменять свою эффективную мощность очень быстро путем изменения потока водорода и повышения давления в элементе аналогично тому, как это делает двигатель внутреннего сгорания. Последние элементы, представленные Ballard и General Motors достигают показателей мощности свыше 2 кВт/литр, а это означает, что топливные элементы Ballard мощностью 75 кВт занимают объем порядка 40 литров.


Топливный элемент сам по себе не двигатель. Все, что он делает — это снабжает электроэнергией. Для того чтобы при -водить в движение транспортное средство, эта энергия должна быть преобразована в механическую работу с помощью электромотора. Поэтому мы должны представлять себе топливный элемент плюс электромотор, как «альтернативный» двигатель. Топливный элемент не простой прибор. Сам по себе элемент не имеет движущихся частей, но для его работы необходимо снабжать его водородом и воздухом, а это требует насосов и других устройств. Легко предположить, что для получения такой же мощности, какая получается от ДВС, топливный элемент нужно снабжать примерно тем же количеством воздуха. Поэтому топливный элемент требует большой и эффективный воздушный насос, возможно компрессорный узел, в котором выхлоп помогает приводить в действие насос, и поэтому не теряется энергия.


С точки зрения получения водорода, все зависит от выбора топлива. Чистый водород может подаваться непосредственно под давлением. Если используется метанол или бензин, топливо должно разлагаться в специальном устройстве, которое выделяет водород и удаляет оставшееся С02 и воду. Разложение бензина наиболее трудоемкая задача и требует высоких температур — порядка 800 °С, по сравнению с 250 °С при разложении метанола. Почти с уверенностью можно сказать, что процесс разложения не будет совершенным и для «выхлопа» потребуется определенный тип каталитического нейтрализатора, если нужно будет получить близкие к нулю выбросы.


Идеальная стоимость автомобильного топливного элемента с 1990 года снизилась в 10 раз, но она должна составлять одну десятую от цены 2001 года, прежде чем они станут конкурентоспособными с силовыми установками серийных автомобилей.