Топливный элемент, важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии (реагентов — топлива и окислителя) в электрическую. Основу Топливный элемент составляют два электрода, разделённые твёрдым или жидким электролитом (см. рис.). Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит — электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления (см. Окисление-восстановление). В результате этих реакций образуются ионы А^— и В⁺ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции AB) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создаётся избыточный положительный заряд. При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Е_пол. Суммарная реакция: А + В = AB + Q+ Е_пол. Электролит в Топливный элемент не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы Топливный элемент необходимы развитая поверхность электродов (до сотен м²на г вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.

Схема топливного элемента: 1 и 2 — полости с реагентами; 3 — электроды; 4 — электролит; А — окислитель; В — топливо; AB — продукты реакции; R — сопротивление нагрузки; I — электрический ток; Q — тепло, выделяющееся (поглощающееся) в результате реакции.

  Идея создания Топливный элемент была высказана в начале 19 в. английским физиком У. Р. Гровом, однако её практическая реализация осуществлена (почти одновременно в СССР, США, Франции и Великобритании) лишь в 60-х гг. 20 в. В середине 70-х гг. известно много Топливный элемент разных типов, различающихся рабочими температурами (от комнатной до 1200 К), а также видом используемого топлива (водород, водородсодержащие вещества, металлы и т.д.), окислителя (кислород, кислородсодержащие вещества, хлор и т.д.), катализатора (платина, палладий, серебро, никель, уголь и т.д.) и электролита (щёлочи или кислоты, твёрдые окислы металлов, расплавы солей, ионообменные полимеры и т.д.). Практическое применение получили главным образом Топливный элемент, в которых в качестве топлива, окислителя и электролита используют соответственно водород, кислород и щёлочь (или ионообменный полимер). Такие Топливный элемент работают при невысоких температурах (до 100 °С), что обеспечивает им длительный (до нескольких тыс.ч) ресурс работы; их рабочее напряжение ~1 в. Однако топливом в Топливный элемент принципиально может служить любое вещество, реагирующее при рабочей температуре с кислородом или галогенами. Перспективны Топливный элемент с прямым окислением углеводородов (пропана, бензина), спиртов, аммиака и т.д. Одна из основных проблем, стоящих на пути их создания, — разработка теории катализа и практических методов получения катализаторов, обладающих достаточной активностью и коррозионной стойкостью и не подверженных отравляющему действию продуктов реакции. См. также Грове элемент.

 

Лит.: Феттер К., Электрохимическая кинетика, пер. с нем., М., 1967; Фильштих В., Топливные элементы, пер. с нем., М., 1968; Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф., Перспективы и научные проблемы применения методов непосредственного получения электроэнергии из химических топлив, «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1973, № 2.

  ()

Н. С. Лидоренко, Г. Ф. Мучник.