Топливные элементы осуществляют непосредственное превращение химической энергии топлива в электрическую, минуя стадию горения. Электрический КПД топливных элементов достигает 60%, а с учетом утилизации тепла -85%. Выбросы вредных веществ по сравнению с тепловыми на 2-3 порядка ниже.
И топливо, и окислитель должны быть вначале превращены в ионы. В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Топливом для них служит водород, а окислителем — либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий те или иные ионы.
Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород.
Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод. Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород — на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-).
КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Также данный топливный элемент подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции.