Большая часть развитых и развивающихся стран обязались сокращать выбросы вредных веществ. Альтернативные источники энергии приобретают все большую роль в мире транспорта [3–5].
Водород в этом плане выступает одним из самых эффективных энергоносителей в транспортной сфере. Уже в России введены в эксплуатацию автобусы, грузовой транспорт на водородных источниках питания, которые имеют большое преимущество перед аккумуляторными источниками энергии [6].
Топливный элемент – устройство, преобразующее химическую энергию топлива (водорода) и воздуха в электрическую посредством химической реакции. Топливо (водород) и окислитель (воздух) зачастую хранятся в специальных резервуарах и подаются в требуемых количествах. Топливные элементы могут быть применены во всех энергетических установках, потребителем которых являются электрические устройства.
В частности, следует выделить водород-воздушный топливный элемент (ВВТЭ). Данные топливные элементы работают по принципу обратного электролиза. Их рабочая температура довольно низкая (50–150 °С), а также КПД составляет 65%. За счет своих технологических параметров они обладают высокой мощностью, плавной регулировкой выходной нагрузки и быстрейшим включением в работу, в отличие от других существующие топливных элементов.
Конструкция ВВТЭ обычно состоит из двух электродов (анод и катод) и газонепроницаемого кислородо-проводящей. На один из электродов (анод) подается водород, а на второй (катод) атмосферный воздух (рис. 1). Через мембрану могут перемещается только протоны, электроны же не проходят через нее, впоследствии возникает разность потенциалов.
Между электродами ВВТЭ возникает электродвижущая сила (около 1 В), которая при подключении нагрузки провоцирует электрохимические процессы:
– регенерация кислорода на катоде;
– диффузия кислорода через протонообменную мембрану к аноду;
– взаимодействие кислорода с молекулами водорода и образованием электронов с водой.
Мощность водород-воздушного топливного элемента может составлять 1–50 кВт.