هدف و وظیفه پیل سوختی تولید جریان الکتریکی است. پیل سوختی در واقع با بهره گیری از دو نوع رسانش كار می كند. رسانش الكتریكی، كه در سطح دو الکترود و رسانش یونی كه در الكترولیت صورت می گیرد.

    یون های كاتیون و آنیون در اثر فرآیند اکسایش-کاهش سوخت ورودی و محصولات خروجی تولید می شوند. رسانش یونی الکترولیت در کنار رسانش الکترونی الکترودها، یک مدار بسته برای برقراری جریان فراهم می نماید. در آند پیل سوختی واكنش اكسیداسیون انجام می گردد و الكترون تولید شده وارد مدار خارجی شده و سپس به كاتد وارد می شود. یون مثبت تولیدی در آند با عبور از غشا مرکزی (الكترولیت) به قسمت كاتد رفته و در حضور كاتالیزور با اكسیژن هوا و الكترونی كه از مدار خارجی به قسمت كاتد وارد شده است به آب تبدیل می گردد. می توان گفت که واکنش های شیمیایی که جریان الکتریکی را تولید می کنند، کلیدی ترین عامل در نحوه عملکرد پیل های سوختی هستند.

   احتراق در پیل های سوختی با احتراق در موتورهای احتراقی متفاوت است. تفاوت این دو نوع احتراق را می توان به صورت زیر توضیح داد:

   احتراق سوخت هیدروژنی در موتورهای احتراقی (سوختن):

   پیل های سوختی هیدروژنی:

   كه طبق این فرمول ها هم حرارت تولید می شود و هم الكتریسیته كه خروجی پیل سوختی است.

   تمام واکنش های الکتروشیمیایی پیل های سوختی از دو واکنش مجزا تشکیل شده اند:

نیم واکنش اکسایش: که در سمت آند اتفاق می افتد.

نیم واکنش کاهش: که در سمت کاتد اتفاق می افتد.

   هر دو نیم واکنش با سرعت زیادی بر روی الکترودهای آند و کاتد اتفاق می افتند.

   گرچه پیل های سوختی انواع مختلفی دارند اما اساس عملکرد همه آن ها یکسان است. در همه پیل های سوختی، هیدروژن از سمت آند وارد شده و الکترون های آن در اثر برخورد با کاتالیست روی الکترود، جدا می شوند. سپس هیدروژن به یون هیدروژن که دارای بار مثبت است تبدیل می گردد. این یون مثبت را کاتیون می نامند.

شکل (1). تولید الکترون در آند پیل سوختی

   الکترون ها که دارای بار منفی هستند از مدار بیرونی خارج شده و وارد مصرف کننده می گردند. جریان تولیدی در پیل سوختی از نوع مستقیم (DC) است و در صورتی که نیاز به جریان متناوب باشد از یک اینورتور استفاده می شود.

شکل (2). حرکت الکترون در مدار خارجی پیل سوختی

   اکسیژن از سمت دیگر وارد پیل شده و بر روی الکترود کاتد با الکترونی که از مدار خارجی به داخل پیل باز می گردد و یون هیدروژن که از الکترولیت (مدار داخلی پیل) عبور کرده واکنش داده و آب تولید می گردد.

شکل (3). تولید آب در کاتد پیل سوختی

   در برخی از پیل ها، الکترون توسط اکسیژن دریافت شده و یون منفی از الکترولیت عبور می کند. سپس این یون منفی با هیدروژن واکنش داده و آب تولید می گردد. تا زمانی که هیدروژن و اکسیژن تامین شوند، پیل سوختی جریان الکتریکی تولید می کند.

   راندمان پیل های سوختی به نوع سوخت مورد استفاده بستگی دارد. البته در صورت استفاده از رفورمر و بازیافت گرمای اتلافی، راندمان پیل های سوختی تا 80 درصد افزایش می یابد. علت بالا بودن راندمان پیل های سوختی نسبت به موتورهای احتراق داخلی این است که بر خلاف موتورهای احتراق داخلی، در پیل های سوختی انرژی الکتریکی از انرژی شیمیایی و واکنش های شیمیایی تامین می شود. در نتیجه محدودیت های قانون دوم ترمودینامیک بر عملکرد پیل های سوختی حاکم نیست. علاوه بر این در صورتی که از پیل ها شود، آن ها بیشتر نیز می گردد.

   یک تک سل پیل سوختی توان زیادی را تولید نمی کند. برای دستیابی به توان های بالا از چندین تک سل پیل سوختی که به طور سری بسته می شوند استفاده می شود. به مجموعه تک سل های پیل سوختی که در کنار هم قرار می گیرند، استک (Stack) پیل سوختی گفته می شود.

شکل (4). استک پیل سوختی