اصول کار و مزایای پشته پیل سوختی هیدروژنی

سلول سوختl نوعی دستگاه تبدیل انرژی است که می‌تواند انرژی الکتروشیمیایی سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. به آن پیل سوختی می‌گویند زیرا یک دستگاه تولید برق الکتروشیمیایی به همراه باتری است. پیل سوختی که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کند، پیل سوختی هیدروژنی است. پیل سوختی هیدروژنی را می‌توان به عنوان واکنش الکترولیز آب به هیدروژن و اکسیژن درک کرد. فرآیند واکنش پیل سوختی هیدروژنی پاک و کارآمد است. پیل سوختی هیدروژنی به راندمان حرارتی ۴۲٪ چرخه کارنو که در موتور خودروهای سنتی استفاده می‌شود، محدود نمی‌شود و راندمان آن می‌تواند به بیش از ۶۰٪ برسد.

برخلاف موشک‌ها، پیل‌های سوختی هیدروژنی از طریق واکنش شدید احتراق هیدروژن و اکسیژن، انرژی جنبشی تولید می‌کنند و انرژی آزاد گیبس موجود در هیدروژن را از طریق دستگاه‌های کاتالیزوری آزاد می‌کنند. انرژی آزاد گیبس یک انرژی الکتروشیمیایی است که شامل آنتروپی و سایر نظریه‌ها می‌شود. اصل کار پیل سوختی هیدروژنی این است که هیدروژن از طریق کاتالیزور (پلاتین) در الکترود مثبت پیل به یون‌های هیدروژن (یعنی پروتون‌ها) و الکترون‌ها تجزیه می‌شود. یون‌های هیدروژن از طریق غشای تبادل پروتون به الکترود منفی عبور می‌کنند و اکسیژن واکنش نشان می‌دهد تا به آب و گرما تبدیل شود و الکترون‌های مربوطه از طریق مدار خارجی از الکترود مثبت به الکترود منفی جریان می‌یابند تا انرژی الکتریکی تولید کنند.

درپشته پیل سوختی، واکنش هیدروژن و اکسیژن انجام می‌شود و در این فرآیند انتقال بار وجود دارد که منجر به جریان می‌شود. همزمان، هیدروژن با اکسیژن واکنش می‌دهد و آب تولید می‌کند.
به عنوان یک مخزن واکنش شیمیایی، هسته اصلی فناوری پشته پیل سوختی "غشای تبادل پروتون" است. دو طرف فیلم نزدیک به لایه کاتالیزور هستند تا هیدروژن را به یون‌های باردار تجزیه کنند. از آنجا که مولکول هیدروژن کوچک است، الکترون‌های حامل هیدروژن می‌توانند از طریق سوراخ‌های ریز فیلم به سمت مقابل رانده شوند. با این حال، در فرآیند عبور الکترون‌های حامل هیدروژن از سوراخ‌های فیلم، الکترون‌ها از مولکول‌ها جدا می‌شوند و تنها پروتون‌های هیدروژن با بار مثبت باقی می‌مانند تا از طریق فیلم به انتهای دیگر برسند.
پروتون‌های هیدروژنبه الکترود طرف دیگر فیلم جذب می‌شوند و با مولکول‌های اکسیژن ترکیب می‌شوند. صفحات الکترود در دو طرف فیلم، هیدروژن را به یون‌های هیدروژن مثبت و الکترون‌ها تجزیه می‌کنند و اکسیژن را به اتم‌های اکسیژن تجزیه می‌کنند تا الکترون‌ها را جذب کرده و آنها را به یون‌های اکسیژن (الکتریسیته منفی) تبدیل کنند. الکترون‌ها بین صفحات الکترود جریانی تشکیل می‌دهند و دو یون هیدروژن و یک یون اکسیژن با هم ترکیب می‌شوند تا آب تشکیل دهند که تنها "ضایعات" در فرآیند واکنش است. در اصل، کل فرآیند عملیات، فرآیند تولید برق است. با پیشرفت واکنش اکسیداسیون، الکترون‌ها به طور مداوم منتقل می‌شوند تا جریان مورد نیاز برای رانندگی خودرو را تشکیل دهند.