Топливные элементы — это электрохимические устройства, позволяющие получать электрическую энергию за счет энергии окислительно-восстановительной химической реакции водорода с кислородом, которые непрерывно поступают к электродам извне, то есть они являются химическими источниками тока непрерывного действия. Побочными продуктами такой реакции являются тепло и вода.

Топливный элемент состоит из многих десятков ячеек.

Каждая ячейка состоит из двух электродов, разделенных твердым или жидким электролитом. На один электрод (анод) подводится топливо (водород), на другой (катод) — окислитель (кислород воздуха). Водород здесь не сгорает, химическая реакция окисления происходит при низкой температуре в присутствии катализатора. Цель работы устройства, используя эту реакцию, разделить положительный и отрицательный заряды в пространстве и создать между ними напряжение. Поэтому электролит, который заполняет пространство между электродами, должен обладать способностью пропускать протоны (т. е. ионы водорода) и не пропускать электроны. На аноде водород распадается на электроны и протоны, далее протоны проходят через слой электролита, достигают катода и, соединяясь с кислородом, образуют воду. Топливные элементы характеризуются чрезвычайно высокой эффективностью (около 60%) и энергетической плотностью около 200 мА/см².

Топливный элемент (РЕМ) состоит из электролита (полимеризованное фторированная сульфокислота) в виде мембраны, с обеих сторон покрытой пористой платиной. Платина выступает в роли катализатора. Электроды выполнены как графитовые пластинки, покрытые тефлоном. Толщина такой топливной ячейки не превышает 1 мм. Модуль состоит из ряда единичных топливных ячеек, соединенных последовательно-параллельно. Нужно отметить, что, кроме ячеек типа РЕМ, в научно-исследовательских лабораториях мира ведутся интенсивные исследования относительно других видов топливных ячеек:

— электролитических (AFC);

— фосфорно-кислотных (PAFC);

— с постоянным содержанием кислорода (SOFC);

— топливная ячейка расплавленного карбоната (MCFC);

— пополняемых муравьиной кислотой (DFAFC);

— с метанолом (DMFC);

— с протонной обменной мембраной или топливная ячейка электролита полимера PEMFC или PEFC — Proton Exchange Membrane Fuel Cell или Polymer Electrolyte Fuel Cell соответственно.

Все вышеперечисленные типы звеньев имеют огромную перспективу развития, учитывая характер их работы и способ применения. Кислород для этих элементов можно получать из воздуха. Сейчас топливные элементы применяются:

• в электромоторах автомобилей;
• для аварийного питания госпиталей;
• для военных целей;
• для питания устройств общего;
• употреблении (ноутбуки, мобильные телефоны);
• в измерительной аппаратуре.

Вышеупомянутый элемент (РЕМ) используется в лаборатории для получения электроэнергии.

Двумя отдельными каналами водород и кислород подаются на топливный элемент. Принцип работы данного источника энергии чрезвычайно прост. Водородный газ поступает к аноду, который называется топливным электродом. С помощью платинового действия катализатора, молекула расщепляется на два протона и два электрона. Далее протоны проходят через электролит и катализатор, достигая катода. В это время электроны через катализатор попадают на внешний контур и создают постоянный ток. Катод окружен кислородом, который, соединяясь с протонами и электронами, образует молекулы воды, которые являются побочным продуктом реакции.

Таким образом, благодаря химической реакции, и ионной проводимости электролита на зажимах топливного элемента получаем постоянный электрический ток. Реакция сгорания топлива в ячейке происходит без огня, и единственным продуктом сгорания является водяной пар. От катода отводят отработанную воду. Побочным продуктом реакции является также выделение тепла (температура около 60°С).