مبدأ عمل خلايا الوقود الهيدروجيني هو في الأساس التفاعل العكسي للماء المُحلل كهربائيًا. في وقت مبكر من ثلاثينيات القرن التاسع عشر، أدرك العلماء الأجانب التفاعل العكسي للمياه المحللة كهربائيًا وتوليد تيار كهربائي. في الماضي، كانت خلايا الوقود تستخدم بشكل رئيسي في مجالات خاصة مثل الفضاء الجوي. في العقد الماضي، ومع تزايد الوعي بحماية البيئة العالمية، وخفض استهلاك الطاقة، والتنمية المستدامة، بدأت خلايا الوقود تحظى بالاهتمام والتطوير.
إن عملية عمل خلية وقود الهيدروجين هي تقنية تجمع بين الهيدروجين والأكسجين الموجود في الهواء لتكوين الماء H2O وإطلاق الطاقة الكهربائية. يتميز بدرجة حرارة تشغيل منخفضة وسرعة بدء تشغيل سريعة. إنها مناسبة بشكل خاص للاستخدام كبطارية طاقة.
الخطوة 1: يصل الهيدروجين إلى الأنود من خلال أنبوب أو لوحة توجيه الهواء. تحت تأثير محفز الأنود، تتأين جزيئات الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين موجبة الشحنة (بروتونات) وتطلق إلكترونات سالبة الشحنة.
الخطوة 2: تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت (غشاء تبادل البروتونات) إلى الكاثود، وتمر الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى الكاثود. تشكل الإلكترونات تيارًا في الدائرة الخارجية، ومن خلال التوصيلات المناسبة، يمكن إخراج الطاقة الكهربائية إلى الحمل.
الخطوة 3: في الطرف الآخر من البطارية، يصل الأكسجين (الهواء) إلى الكاثود من خلال الأنبوب أو لوحة توجيه الهواء. تحت تأثير محفز الكاثود، يتفاعل الأكسجين مع أيونات الهيدروجين والإلكترونات لتوليد الماء.
هناك أنواع عديدة من خلايا الوقود، والفرق بينها هو المنحل بالكهرباء. تتكون خلية وقود الهيدروجين من صفيحة ثنائية القطب (الأنود والكاثود) وغشاء تبادل البروتونات. يتأكسد وقود الهيدروجين عند الأنود، ويتم تقليل المادة المؤكسدة عند الكاثود، ويعمل غشاء تبادل البروتونات بمثابة المنحل بالكهرباء. يحتوي كلا القطبين على محفزات تعمل على تسريع التفاعلات الكهروكيميائية في الأقطاب الكهربائية.