หลักการทำงานและข้อดีของชุดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานชนิดหนึ่งที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเคมีของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานไฟฟ้า เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเนื่องจากเป็นอุปกรณ์สร้างพลังงานไฟฟ้าเคมีร่วมกับแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงคือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสของน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน กระบวนการปฏิกิริยาของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้นสะอาดและมีประสิทธิภาพ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ได้ถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพเชิงความร้อน 42% ของรอบคาร์โนต์ที่ใช้ในเครื่องยนต์รถยนต์แบบดั้งเดิม และประสิทธิภาพสามารถเข้าถึงมากกว่า 60%

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสร้างพลังงานจลน์จากปฏิกิริยารุนแรงของไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เผาไหม้ และปลดปล่อยพลังงานอิสระกิ๊บส์ในไฮโดรเจนผ่านอุปกรณ์เร่งปฏิกิริยา พลังงานอิสระกิ๊บส์เป็นพลังงานไฟฟ้าเคมีที่เกี่ยวข้องกับเอนโทรปีและทฤษฎีอื่นๆ หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนคือ ไฮโดรเจนจะถูกย่อยสลายเป็นไอออนไฮโดรเจน (เช่น โปรตอน) และอิเล็กตรอนผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา (แพลตตินัม) ในอิเล็กโทรดบวกของเซลล์ ไอออนไฮโดรเจนจะผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนไปยังอิเล็กโทรดลบ และออกซิเจนจะทำปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนเป็นน้ำและความร้อน และอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องจะไหลจากอิเล็กโทรดบวกไปยังอิเล็กโทรดลบผ่านวงจรภายนอกเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า

ในเซลล์เชื้อเพลิงแบบกองซ้อนปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดขึ้น และเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน ไฮโดรเจนยังทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อผลิตน้ำ
ในฐานะที่เป็นแหล่งปฏิกิริยาเคมี แกนหลักของเทคโนโลยีของเซลล์เชื้อเพลิงคือ “เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน” ทั้งสองด้านของฟิล์มอยู่ใกล้กับชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสลายไฮโดรเจนให้เป็นไอออนที่มีประจุ เนื่องจากโมเลกุลไฮโดรเจนมีขนาดเล็ก อิเล็กตรอนที่นำไฮโดรเจนจึงสามารถลอยไปทางตรงข้ามได้ผ่านรูเล็กๆ ของฟิล์ม อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการที่อิเล็กตรอนที่นำไฮโดรเจนผ่านรูของฟิล์ม อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากโมเลกุล เหลือเพียงโปรตอนไฮโดรเจนที่มีประจุบวกเท่านั้นที่จะไปถึงอีกด้านหนึ่งผ่านฟิล์ม
โปรตอนไฮโดรเจนจะถูกดึงดูดไปที่อิเล็กโทรดที่อีกด้านหนึ่งของฟิล์มและรวมเข้ากับโมเลกุลออกซิเจน แผ่นอิเล็กโทรดทั้งสองด้านของฟิล์มจะแยกไฮโดรเจนออกเป็นไอออนไฮโดรเจนบวกและอิเล็กตรอน และแยกออกซิเจนออกเป็นอะตอมออกซิเจนเพื่อจับอิเล็กตรอนและเปลี่ยนเป็นไอออนออกซิเจน (ไฟฟ้าลบ) อิเล็กตรอนจะสร้างกระแสไฟฟ้าระหว่างแผ่นอิเล็กโทรด และไอออนไฮโดรเจน 2 ตัวและไอออนออกซิเจน 1 ตัวจะรวมกันเพื่อสร้างน้ำ ซึ่งกลายเป็น "ของเสีย" เพียงอย่างเดียวในกระบวนการปฏิกิริยา โดยพื้นฐานแล้ว กระบวนการทำงานทั้งหมดคือกระบวนการผลิตพลังงาน เมื่อปฏิกิริยาออกซิเดชันดำเนินไป อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการขับเคลื่อนรถยนต์