Многие вещества, например, Н2 или СН4 используются во многих устройствах в виде топлива. Выделяемая при их реакции окисления с кислородом тепловая энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую энергию. Так как горение представляет собой окислительно — восстановительную реакцию, в принципе ее можно использовать для преобразования сначала в механическую (с помощью теплового двигателя), а затем в электрическую энергию (с помощью генератора). При таком преобразовании энергии происходят неизбежные ее потери (рассеивание в окружающую среду). Только не более 40% тепловой энергии удается преобразовать в механическую энергию. Прямое получение электрической энергии из топлив при помощи гальванических элементов должно обеспечить более высокий коэффициент преобразования химической энергии топлив в электрическую энергию. Гальванические элементы, в которых реагентами являются традиционные топлива, называются топливными элементами.
Таким образом, топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором химическая энергия горючего превращается непосредственно в электрическую энергию.
На разработку практически действующих топливных элементов затрачиваются большие исследовательские усилия. Одной из возникающих при этом проблем является высокая температура, при которой
работает большинство подобных элементов, что не только способствует рассеянию энергии, но и ускоряет коррозию частей гальванического элемента. Разработан низкотемпературный топливный элемент, в котором используется Н2, но пока этот элемент слишком дорог для широкого потребления. Однако он нашел применение в некоторых особах случаях, например, на космических аппаратах. Так, топливный элемент на основе Н2-Ог служил в качестве главного источника электрической энергии на космических кораблях «Апполон», летавших на Луну. Масса топливного элемента, обеспечивавшего корабль энергией в течение 11-дневного полета, составляла примерно 250 килограмм. Если бы для такой цели использовался обычный генератор электрической энергии, его масса должна была бы составлять несколько тонн.
В топливном элементе на Н2-О2 протекают следующие электродные реакции:
• на аноде:
2Н2 (г) + 40Н" (водн) 4Н20 (ж) + 4е";
• на катоде:
4е~ + 02 (г) —»2Н20 2Н2 (г) + 02 (г) —► 2Н20 (ж) *
Схематическое изображение этого топливного элемента приведено на рис. 12.5. Электроды выполнены в виде полых трубок из пористого прессованного угля, пропитанного катализатором; электролитом служит КОН. Топливный элемент работает до тех пор, пока в него не прекратится подача реагентов.