Одной из разработок в области альтернативных видов привода являются топливные элементы. С точки зрения принципа преобразования энергии в топливном элементе протекает процесс получения электрической энергии из химической энергии, схожий с процессом в двигателе внутреннего сгорания. Преобразование энергии из «топлива» в эффективную мощность у топливных элементов протекает с гораздо меньшим количеством промежуточных этапов, напрямую. По этой причине КПД топливного элемента выше чем КПД двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, топливный элемент можно рассматривать как двигатель.
В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия, содержащаяся в молекулах топлива, путём сжигания преобразуется в энергию движения. Эта энергия затем используется для привода коробки передач или генератора. У двигателя внутреннего сгорания много энергии теряется из-за трения и рассеивания тепловой энергии. В топливном элементе происходит это преобразование химической энергии в электрическую энергию. В отличие от двигателя внутреннего сгорания дополнительного генератора для выработки электрической энергии не требуется. В качестве топлива используется полученный промышленным способом водород, который в топливном элементе превращается в воду при взаимодействии с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе. Сам водород содержит меньше энергии, чем содержащаяся в топливе энергия углеводородов, однако его проще сжигать, а потери в процессе преобразования энергии практически отсутствуют. Кроме того, продукты сгорания топлива или вредные газы, как у двигателя внутреннего сгорания, отсутствуют.
Устройство топливного элемента
Водородно-кислородный топливный элемент представляет собой особую форму гальванического элемента. Его основными частями являются два электрода (1), например, углеродные нанотрубки, покрытые слоем платины в качестве катализатора (2), и специальная мембрана (3). В качестве электролита могут служить различные соединения. Специальная мембрана газонепроницаемая, не проводит электроны и проницаема для протонов (ядро водорода без электрона). Кислород (O2) поступает из атмосферного воздуха, и заправлять его отдельно не требуется.
Принцип работы
Водород (H2) и кислород (O2) по отдельности направляются к обоим электродам: водород к аноду (A), а кислород к катоду (K). Под действием катализатора водород отдаёт два электрона и распадается на два положительно заряженных ядра водорода (протоны). Эти протоны могут преодолеть мембрану и мигрируют сквозь нее, поскольку на другой стороне мембраны (стороне катода) в электролите содержится меньше протонов, чем на стороне анода (явление диффузии). На своём электроде кислород захватывает электроны в ходе каталитической реакции и после этого немедленно реагирует со свободными протонами водорода, образуя воду (H2O).
Если соединить анод и катод друг с другом электрически, то вследствие этой реакции будет течь ток (4). Таким образом из реакции преобразования водорода в воду в топливном элементе добывается электрическая энергия.