В топливных элементах протекают токообразующие
электрохим. р-ции: на отрицательном-с участием восстановителя (топлива), на
положительном-с участием окислителя (чаще всего О2 или воздуха).
Скорость поступления реагентов к электродам регулируется пропорционально токовой
нагрузке, продукты токообразующей р-ции непрерывно выводятся из топливного элементы. Т. обр.,
топливный элемент способен работать практически неограниченное время, пока в него поступают
реагенты и происходит отвод продуктов. Для обеспечения подачи реагентов и его
регулирования, отвода продуктов и тепла требуются разл. вспомогат. устройства;
совокупность этих устройств и батареи топливного элемента наз. электрохим. генератором.
В нач. 20 в. предполагалось
создать топливные элементы для прямого превращения энергии прир. видов топлива-прир. газа,
нефтепродуктов или оксида углерода, получаемого газификацией углей (отсюда назв.),-в
электрическую как альтернативу тепловым машинам, кпд к-рых ограничен вторым
началом термодинамики. Задача оказалась трудной из-за инертности этих топлив
к электрохим. р-циям. В 60-х гг. 20 в. были разработаны водородно-кислородные
топливные элементы с использованием щелочного р-ра электролита (обычно 30-40 %-ный водный
р-р КОН) и в качестве топлива-водорода высокой степени чистоты. Эти топливные элементы (рабочая
т-ра от 20 до 100°С, в отдельных вариантах до 160°С) предназначены для
космич. кораблей, автономных устройств связи и т.д. В них используются т. наз.
газодиффузионные электроды-пористые никелевые или угольные электроды с нанесенными
катализаторами (дисперсные Pt, Ni, Ag и т.д.), к-рые, с одной стороны, контактируют
с электролитом, с другой-с реагирующим газом. На отрицат. электроде водород
электрохимически окисляется (Н2 + 2OH- : 2Н2О
+ 2е-), на положительном-восстанавливается кислород (1/2О2
+ + Н2О + 2е- : 2ОН-). Образующаяся
вода поступает в электролит (что требует рециркуляции электролита и удаления
воды с помощью внеш. устройств) либо испаряется с пов-сти электродов (при рабочих
т-рах выше 60 °С). Эдс кислородно-водородной цепи при давлении газов 0,1
МПа (1 атм) и 25 °С равна 1,229 В, а при 100 °С равна 1,162 В; напряжение
разомкнутой цепи около 1,1 В; номинальная плотн. тока 500-2000 А/м2
(катализатор-скелетный Ni), 4-8 кА/м2 (Pt). Срок службы водородно-кислородных
элементов до 10 тыс. часов.
В дальнейшем началась разработка
среднетемпературных (180-230°С) топливных элементов с фосфорнокислым электролитом и высокотемпературных
топливных элементов с электролитом в виде расплава разл. карбонатов (рабочая т-ра 600-700
°С) или с твердым оксидным электролитом (900-1000 °С). В отличие от
топливных элементов со щелочным электролитом, в последних вариантах м. б. использован техн.
Н2, получаемый паровой конверсией природного углеводородного топлива.
На базе среднетемпературных топливных элементов в США и Японии созданы опытные электростанции
мощностью ок. 10 МВт.
Лит.: Багоцкий B.C.,
Скувдин А. М., Химические источники тока, М., 1981. B.C. Багоцкий.