Водородные топливные элементы как ключевая технология увеличения продолжительности полета БПЛА: проблемы и перспективы
Автор: Вороной А.А., Герасимов В.В., Ситникова С.В.
Журнал: Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp
Статья в выпуске: 2 т.29, 2026 года.
Бесплатный доступ
Обоснование. Эффективность применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в сельском хозяйстве, логистике и мониторинге инфраструктуры напрямую зависит от продолжительности их полета. Современные литий-ионные аккумуляторы с удельной энергоемкостью до 0,25 кВт·ч/кг ограничивают автономность аппаратов 25– 40 минутами, что недостаточно для выполнения сложных многочасовых миссий. Рост взлетной массы при увеличении емкости батарей нивелирует выигрыш во времени, что обуславливает необходимость перехода на альтернативные энергоустановки с более высокими показателями плотности энергии. Цель. Работа направлена на системный анализ применения водородных топливных элементов в качестве ключевой технологии для кратного увеличения продолжительности полета БПЛА, а также на выявление технологических барьеров, препятствующих их массовому внедрению. Методы. Проведен сравнительный анализ эксплуатационных характеристик литиевых аккумуляторов, двигателей внутреннего сгорания и водородных систем на базе топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC). Рассмотрены принципы построения гибридных схем электропитания, и проведена оценка эффективности различных методов хранения водорода на борту: в сжатом, жидком и твердофазном состояниях. Результаты. Установлено, что водородные системы обеспечивают удельную энергоемкость 800–1500 Вт·ч/кг, что позволяет увеличить время нахождения БПЛА в воздухе в 5–10 раз по сравнению с литиевыми аккумуляторами. Обоснована необходимость использования гибридной компоновки с буферной батареей для компенсации пиковых нагрузок при взлете и маневрировании. Выявлено, что основным практическим решением на текущем этапе являются композитные баллоны высокого давления, в то время как криогенное и сорбционное хранение требует решения задач по снижению массы вспомогательного оборудования и сложности терморегулирования. Заключение. Водородные топливные элементы являются наиболее перспективным решением для профессиональных БПЛА, обеспечивая сочетание высокой автономности, низкой акустической заметности и надежности. Успешное внедрение технологии требует концентрации усилий на разработке облегченных систем хранения водорода, повышении эффективности вспомогательных агрегатов и создании заправочной инфраструктуры.
Беспилотный летательный аппарат, БПЛА, водородная энергетика, топливный элемент, PEMFC, хранение водорода, продолжительность полета, гибридная энергоустановка
Короткий адрес: https://sciup.org/140315657
IDR: 140315657 | УДК: 621.352.6:629.735.45 | DOI: 10.18469/1810-3189.2026.29.2.22-31
Hydrogen fuel cells as a key technology for increasing UAV flight duration: challenges and prospects
Background. The efficiency of unmanned aerial vehicle (UAV) applications in agriculture, logistics, and infrastructure monitoring directly depends on their flight endurance. Modern lithium-ion batteries, with a specific energy density rarely exceeding 0,25 kWh/kg, limit aircraft autonomy to 25–40 minutes, which is insufficient for complex multi-hour missions. The increase in takeoff mass associated with higher battery capacity negates gains in flight time, necessitating a transition to alternative power plants with significantly higher energy density. Aim. This work aims to provide a systematic analysis of hydrogen fuel cell application as a key technology for a multifold increase in UAV flight endurance and to identify the technological barriers preventing their widespread adoption. Methods. A comparative analysis of the operational characteristics of lithium batteries, internal combustion engines, and hydrogen systems based on proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) was conducted. The principles of designing hybrid power schemes were examined, and the efficiency of various on-board hydrogen storage methods–including compressed gas, cryogenic liquid, and solid-state storage–was evaluated. Results. It was established that hydrogen systems provide a specific energy density of 800–1500 Wh/kg, enabling a 5- to 10-fold increase in UAV flight endurance compared to lithium batteries. The necessity of utilizing a hybrid configuration with a buffer battery to compensate for peak loads during takeoff and maneuvering was justified. It was found that composite high-pressure cylinders are the primary practical solution at the current stage, whereas cryogenic and sorption storage require overcoming challenges related to reducing the mass of auxiliary equipment and the complexity of thermal management. Conclusion. Hydrogen fuel cells represent the most promising solution for professional UAVs, combining high autonomy with low acoustic signature and high reliability. The successful implementation of this technology requires focused efforts on developing lightweight hydrogen storage systems, improving the efficiency of auxiliary components (Balance of Plant), and establishing a refueling infrastructure.
