В топливном элементе химическая энергия (сгорания) топлива преобразуется электрохимическим путем напрямую в электрическую энергию. Топливо и окислитель при этом непрерывно и раздельно подводятся к ячейке, в которой они реагируют. Основными плюсами топливных элементов являются динамичность отклика, быстрый запуск, относительно малые удельный объем и вес, отсутствие движущихся частей, бесшумность, хорошая способность к перегрузке а так же их экологическая безопасность и сравнительно высокий КПД (рис.1).

На аноде (куда подается, например, водород) идет электрохимическая реакция по окислению водорода, в результате которой протоны идут через мембрану к катоду, а электроды – во внешнюю цепь, создавая электрический ток и совершая полезную работу. На катоде (куда подается кислород) происходит электрохимическая реакция восстановления кислорода до воды. Обе эти полуреакции происходят одновременно, обеспечивая протекание выгодной по энергетике суммарной реакции сгорания водорода в кислороде с образованием воды.

Электроды топливных элементов состоят из трех слоев – активного, микропористого и газодиффузионного. В активном слое топливного элемента должна быть обеспечена так называемая трехфазная граница – область эффективного катализа, к которой одновременно должны подводиться реагенты и продукты реакции (протоны и электроны). Активный слой представляет из себя сажу с платиновыми частицами, скрепленную расплавленными частицами ПТФЭ. Для скрепления используется процедура отжига электродов.

Перспективным направлением исследований на данный момент является замена углеродной сажи углеродными нанотрубками, которые также в ряде случаев обладают хорошими проводящими свойствами. В работе [1] было продемонстрировано, что в результате такой замены рабочие характеристики топливного элемента ухудшаются лишь примерно на 10 процентов. Однако толщина мембранно электродного блока, использующего в качестве проводника электронов углеродные нанотрубки, и, соответственно, его масса, уменьшаются на порядки величины, что является чрезвычайно важным для автотранспортных приложений.

Таким образом, в дальнейшем необходимо попытаться оптимизировать дизайн активного слоя топливного элемента с углеродными нанотрубками с целью улучшения его рабочих характеристик.