Основа водородной энергетики — реакция присоединения кислорода к водороду (окисление). Реакция идет в топливном элементе, состоящем из электродов и расположенного между ними электролита — проводящего электрический ток материала. В ходе реакции появляются свободные электроны — «частички» электрического тока.
Для осуществления реакции окисления в топливный элемент с разных сторон подается топливо (водород) и воздух (кислород). На аноде элемента атомы водорода разделяются на протоны и электроны. Положительно заряженные протоны устремляются через электролит к катоду, а отрицательно заряженные электроны перетекают в цепь для генерации электричества. Пройдя через электролит и контур цепи, электроны и протоны встречаются на катоде, где они соединяются с кислородом, выделяя тепло и воду в качестве побочных продуктов.
Эффективность топливного элемента зависит, в том числе от проводящих свойств электролита: чем выше проводимость, тем больше электричества будет получено в результате реакции. Перспективный вид материалов для водородных топливных элементов разработали специалисты Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН и Института водородной энергетики Уральского федерального университета (Екатеринбург).
Разработчики взяли за основу слоистые перовскиты и слегка изменили их «дизайн». Ученые модифицировали исходный материал на основе бария, лантана, индия и кислорода, добавив атомы редкоземельного металла гадолиния, который увеличивает электропроводимость за счет своих магнитных свойств. Это улучшило проводимость материала в 20 раз. Сейчас на Урале работают над созданием топливных элементов на основе нового материала и полноценных устройств для водородной энергетики в дальнейшем.