Топливный элемент Бэкона работает на хорошо очищенных кислороде и водороде. В качестве электродов применены двуслойные пористые пластины толщиной около 1,6 мм, спрессованные из порошка никеля. Со стороны подвода газов расположен основной слой с более крупными порами диаметром около 30 мк, а со стороны электролита — тонкий слой с порами диаметром 15 мк. Электродом служит раствор КОН.
Давление газов подбирается таким, чтобы они не допускали проникновения электролита в крупные поры, но и не могли бы вытеснить его из тонких пор. Реакция проходит внутри электрода, в районе раздела двух слоев. При этом значительная поверхность границы трех фаз (газ — электрод — электролит) позволяет получить достаточно большую скорость реакции. Благодаря двуслойным электродам газы не проходят через них и в пространстве над электролитом не может образоваться взрывоопасная смесь водорода с кислородом. Для устранения коррозирования электродов применяют предварительный обжиг пластин на воздухе, в результате чего образуется предохранительный окисный слой.
Одна из последних батарей топливных элементов Бэкона состоит из тридцати последовательно соединенных элементов. Реакции в элементах протекают при температуре около 473° К и давлении до 400 н/см2. Длина батареи — 76 см, диаметр дисковых электродов — около 25 см. Э. д. с. батареи 40 в. При токе 100 а напряжение на зажимах не падает ниже 32 в, при токе 240 а — ниже 24 в.
Вследствие высокого давления газов и довольно сложных регулирующих систем (в том числе устройства для удаления воды) батарея имеет значительную массу.
Другой водородно-кислородный топливный элемент разработан группой специалистов фирмы Юнион Карбид. Элемент имеет пористые угольные электроды, реакции на которых протекают при температуре 323— 333° К и давлении газов в несколько атмосфер. Электролитом также служит раствор КОН. Для ускорения хода реакций на электродах в угольную массу вкраплены металлические катализаторы. Электродная плотность тока у топливных элементов Юнион Карбид благодаря применению катализаторов и другим мероприятиям доведена до 100—150 ма/см2, а на короткое время может быть доведена даже до 300—500 ма/см2.
Для предохранения пор угольных электродов от заливания электролитом производится обработка электродов особым водоотталкивающим составом. Однако пока еще такая обработка недостаточно эффективна. В отличие от элемента Бэкона топливные элементы Юнион Карбид имеют не пластинчатые, а трубчатые электроды. В одном случае две трубки погружают в электролит, а газы подаются внутрь трубок под некоторым давлением и продавливаются через пористый уголь. В другом случае трубчатые электроды располагаются концентрично и электролит заливается в пространство между трубками. Во внутреннюю трубку подается водород, а наружная трубка соприкасается с воздухом, из которого и берется кислород для реакции окисления.
Интересен топливный элемент Юсти (ФРГ), у которого в качестве электролита также применяется раствор КОН, а электроды имеют особую конструкцию, позволяющую добиться высокой электрохимической активности. Анод представляет собой каркас из спрессованного и спеченного порошка углеродистого никеля, в котором размещен высокоактивный губчатый никель. Примерно так же изготовлен и катод, в качестве катализатора в нем применено серебро. Однако катод не так активен, как анод. Юсти на экспериментальных электродах диаметром около 40 мм получил электродную плотность тока на аноде 700—750 ма/см2, а на катоде — 500 ма/см2.
В перечисленных топливных элементах электролитом служил раствор щелочи КОН, в котором электрохимические реакции проходят более активно, чем в нейтральной или кислой среде. Однако у щелочного электролита есть и существенный недостаток — он требует применения очень чистых газов, особенно водорода. Если же будет применяться дешевый водород, содержащий неизбежные примеси углекислого газа, то будет происходить карбонизация раствора и характеристики элемента резко ухудшатся.
Попытки применить в качестве электролита водный раствор кислоты не дали положительных результатов. Помогли в этом интересные материалы — иониты, или ионообменные смолы. Они сочетают в себе ионную проводимость электролитов и механические свойства твердого вещества. Этими качествами ионитов и воспользовались специалисты американской фирмы «Дженерал Электрик». Основной особенностью разработанного ими топливного элемента является то, что вместо жидкого электролита в нем применена твердая мембрана, изготовленная из кислой ионообменной смолы, прочность которой увеличена при помощи связующих веществ. К мембране толщиной около 0,6 мм прижаты с обеих сторон электроды — тонкие сетки из платиновой или платинированной никелевой проволоки. Общая толщина одного элемента вместе с газовыми камерами составляет всего 3,2 мм.
Электрохимическая активность такого элемента не очень высока. Электродная плотность тока у топливных элементов фирмы «Дженерал Электрик» составляет примерно 32 ма/см2 при напряжении 0,7 в. Однако они очень компактны, могут работать на загрязненном примесями водороде, а также позволяют легко удалять азот. Правда, стоимость этих элементов довольно высока.
