Растет численность населения Земли, развиваются промышленность и сельское хозяйство, совершенствуется обес­печение бытовых нужд и для удовлетворения все возрастающе­го спроса на электроэнергию требуется интенсивное рас­ходование топливных ресурсов как основного источника энергии на современном этапе. Все чаще стали использоваться нетрадиционные источники энергии. Непрерывно возрастают темпы использования жидкого и га­зообразного минерального топлива в качестве первичного сырья для перерабатывающей промышленности, что влечет за собой снижение его доли в топливно-энергетическом балансе.

Однако запасы топливо-энергетических ресурсов Земли огра­ничены, и уже сейчас в ряде регионов ощущается их недоста­ток. Вместе с тем, если энергетический голод в ближайшей пер­спективе, может быть, и не угрожает человечеству, но несомненно, что эпоха легкодоступных и дешевых энергетических ресур­сов кончилась. Поэтому возникла объективная необходимость создания нетрадиционных источников энергии.

Технология использования топливно-энергетических ресур­сов на ТЭС пока несовершенна, что приводит к интенсивному и разностороннему загрязнению окружающей среды.

Атомные электростанции хотя и не производят вредных вы­бросов в атмосферу, тем не менее, использование их влечет за собой тепловое загрязнение окружающей среды и необходи­мость надежного захоронения и длительного хранения большого количества радиоактивных отходов. Это обстоятельство не поз­воляет ориентировать развитие энергетики только за счет ис­пользования атомной энергии на основе расщепления ядер ура­на. Кроме того, режимы работы АЭС должны быть оптимальны­ми по условиям как экономических требований энергосистемы, так и обеспечения надлежащего уровня эксплуатационной на­дежности их оборудования, поэтому вырабатываемая ими элек­троэнергия является в основном базисной, что не согласуется с режимными требованиями современных систем.

Гидроэнергетические ресурсы мира хотя и значительны и отвечают основным требованиям современной энергетики, но ограничены как по размерам, так и по отдельным регионам, а в ряде случаев использование их вызывает значительные за­труднения, связанные в основном с изъятием ценных земель и влиянием на окружающую среду.

Все это приводит к необходимости широкого исследовании потенциальных возможностей использования ныне известных, но еще не применяемых в большой энергетике (и в этом смысле но­вых) способов преобразования различных видов энергии в элек­трическую. То есть нетрадиционных источников энергии. При этом новые способы должны способствовать тому, чтобы энергетика завтрашнего дня обладала достаточны­ми запасами энергоресурсов, была мощной, экономичной, надежной, мобильной и экологически приемлемой. Трудно себе представить, чтобы все эти требования может удовлетворить какой либо один способ. Видимо, приемлемых способов будет найдено несколько и определение оптимального сочетания их для нужд, диктуемых конкретными условиями, выльется в самостоятельную задачу.

В настоящее время известно много способов преобразования различных видов энергии в электрическую от самых новейших (термоядерный синтез, гелио-космические энергосборники и т. п.) до применявшихся издавна ветряков. Широко ведутся исследования по изысканию путей практической их реализации для нужд будущей энергетики. Несомненно, еще имеются и не известные способы преобразования нетрадиционных источников энергии. Жизненные потребности общества и развитие научно технического прогресса приведут к необходимости активного поиска их. Вместе с тем научно-технический прогресс обеспечит и практическую реализацию этих откр

Одними из альтернативных источников тока являются топливные элементы.

Впервые о них заговорили в середине XIX в., когда в основном была завершена теория гальванического элемента. В России первый ТЭ был предложен П. Н. Яблочковым в 1878 г.

Топливный элемент относится к химическим источни­кам тока и представляет собой гальванический элемент, в кото­ром химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя преобразуется электрохимическим путем непосредственно в электрическую энергию. Другими словами, в ТЭ электрическая энергия получается за счет реакции окисления - восста­новления топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода). Это элемент длительного действия, и непрерывность его работы обеспечивается в результате как не­прерывного подвода к соответствующим электродам восстановителя и окислителя, между ко­торыми находится электролит, так и своевременного вывода продуктов реакции и поддер­жания на должном уровне тем­пературы и напряжения. Основное отличие реакции, происходящей в топливных элементах, от реак­ции окисления при горении заключается в том, что в ТЭ разность энергий электронов у исходного вещества и продук­тов реакции непосредственно превращается в электричес­кую энергию, а не переходит в энергию броуновского теплово­го движения молекул, как при горении.

Объединение в одной уста­новке батареи ТЭ, системы переработки и подвода топлива и окислителя, системы вывода продуктов реакции, системы термо­регулирования, системы автоматики и ряда других устройств носит название электрохимического генератора (ЭХГ).

Топливные элементы классифицируются по многим призна­кам, в числе которых одними из главнейших являются агрега­тные состояния горючего и электролита. В соответствии с этим в зависимости от агрегатного состояния горючего различа­ют твердые, жидкостные и газовые ТЭ, а в зависимости от агре­гатного состояния и вида электролита различают элементы с водными электролитами (растворы кислот и щелочей) и эле­менты с расправленными и твердыми электролитами - вещества, обладающие ионной проводимостью и имеющие ионное строение.

По рабочей температуре ТЭ подразделяются на низкотем­пературные (ниже 100°С), среднетемпературные (100-250 °С) и высокотемпературные (выше 450- 500 °С). В низкотемпературных топливных элементах в качестве электролитов ис­пользуются водные растворы щелочей или кислот, а в качестве реагентов (топлива и окислителя) - лишь те, которые обладают высокой активностью (гидразин, водород и др.).

В среднетемпературных ТЭ для предотвращения кипения раствора электролита либо применяют высококонцентрирован­ные растворы кислот и щелочей, либо создают высокое давление реагентов.

В высокотемпературных топливных элементах в качестве электролита исполь­зуются либо расплавленные соли в виде смесей карбонатов ка­лия, натрия и лития, либо твердые электролиты.

В ТЭ в качестве топлива можно использовать не только во­дород, но и углеводороды, например метан или пропан. Несом­ненным достоинством подобных элементов является отсутствие вредных отходов. Электродвижущая сила топливных элементов определяется природой реакции, температурой и концентрацией (давлением) реагирующих ве­ществ и продуктов реакции. Обычно напряжение на выводах элемента не превышает 1 В. К. п. д. ТЭ теоретически близок к единице, а практически колеблется от 40 до 70 %. Ресурс ТЭ составляет несколько тысяч ч.

В электрохимическом генераторе батарея ТЭ состоит из на­бора элементов, соединенных последовательно, параллельно или смешанно. ЭХГ вырабатывают электроэнергию по мере подвода окислителя и восстановителя. Поэтому такие генераторы должны иметь систему подачи реагентов.

При необходимости топливо и окислитель перед поступлени­ем в батарею топливных элементов подвергаются обработке, включающей очистку, превращение в электрохимически активные реагенты и т. п.

В результате электрохимических процессов, происходящих в ТЭ, образуются продукты реакции, влияющие на состав электролита и активность электродов, а также приводящие к разбавлению реагентов в электродных камерах. Стабильная ра­бота ТЭ требует непрерывного отвода реагентов и обеспечения контроля состава электролита или характеристик элементов, на которые влияют продукты реакции.

При работе ТЭ выделяют теплоту, которая растет с увеличением силы тока, и его с соответствующей скоростью необходимо отводить. Топливные элементы, входящие в ЭХГ, могут применяться в качестве энергетических установок для транспортных и передвижных машин и аппаратов.