Топливный элемент

То́пливный элеме́нт, химический источник тока, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива и окислителя) из специальных резервуаров к соответствующим электродам, пространственно разделённым электролитом. Является важнейшей частью электрохимического генератора. На электродах топливного элемента протекают токообразующие электрохимические реакции:

• на аноде топливо (например, водород) окисляется, т. е. отдаёт электроны во внешнюю цепь;
• на катоде окислитель (например, кислород воздуха) восстанавливается, принимая электроны из внешней цепи.

Электролит обеспечивает ионный перенос зарядов между электродами. В топливных элементах применяются, как правило, пористые электроды, содержащие катализаторы, токоотводы и др.

В зависимости от типа электролита различают топливные элементы щелочные, фосфорнокислотные, расплавные карбонатные, т. н. твердооксидные, с прямым окислением метанола и др. В щелочных топливных элементах используются чистые водород и кислород. Остальные топливные элементы работают на воздухе и техническом водороде, получаемом, например, из природного газа, а также на метаноле и других восстановителях. В качестве электролита используется раствор гидроксида калия (KOH), 98%-ная ортофосфорная кислота (H₃ PO₄ ), протонообменная мембрана, расплав карбонатов щелочных металлов, расплав диоксид циркония – оксид иттрия (ZrO₂ –Y₂ O₃ ).

Катализаторами низкотемпературных топливных элементов служат платина (Pt) и её сплавы, высокотемпературных топливных элементов (рабочая температура свыше 600 °C) – модифицированный никель (Ni) (на аноде) и сложные оксиды никеля, кобальт (Co) или марганец (Mn) (на катоде).

Коэффициент полезного действия (кпд) топливных элементов до 80 %, срок службы до 40 тыс. ч. Они применяются для автономного обеспечения энергией и теплом различных объектов (например, на космических аппаратах).