כל תאי הדלק פועלים על עיקרון דומה.
מרכיבי תא הדלק:
- שתי אלקטרודות מוליכות חשמל: קתודה ואנודה.
- אלקטרוליט המוליך יונים.
תא הדלק מורכב מחומר אלקטרוליט, המוקף מצדדיו כשכבות סנדביץ, באנודה מצד אחד, ובקתודה מצד שני.
הדלק מוזרם דרך האנודה בה הוא מופרד ליונים ואלקטרונים. הפרדה זו מבוצעת באמצעות ריאקציה כימית בין האנודה לדלק. ריאקציה זו מתרחשת בצורה קטליטית (עם זרז לריאקציה הכימית), כך שהאלקטרונים משתחררים מאלמנט הדלק ומוזרמים כזרם חשמלי, דרך העומס.
תכונתה החשובה של האנודה של תא דלק מסוג מימן-חמצן, היא שהיא מעבירה דרכה את היונים החיוביים, ואינה מאפשרת לאלקטרונים לעבור. כתוצאה מכך מאולצים האלקטרונים לזרום דרך המעגל החשמלי הנמצא מחוץ לתא הדלק, ובכך מספקים זרם חשמלי דרך הצרכן.
היונים עוברים דרך האלקטרוליט לקתודה, דרכה מוזרם החמצן.
בקתודה מתרכב החמצן שבא מבחוץ, ביחד עם היונים שעברו דרך האלקטרוליט, ועם האלקטרונים שזרמו דרך הצרכן החיצוני, ליצירת מים ופחמן דו חמצני.
האלקטרוליט מאפשר תנועה של היונים בין שתי האלקטרודות, אך אינו מאפשר מעבר אלקטרונים דרכו.
באופן עקרוני, האלקטרוליט הוא שכבה המוליכה יונים, ומשמשת להפרדה מרחבית בין שתי האלקטרודות, כך שלא יהיה ביניהן מגע חשמלי. בו זמנית, האלקטרוליט מאפשר מעבר יונים דרכו מאלקטרודה אחת, בה נוצרים היונים, לשנייה, בה הם מתפרקים ממטענם החשמלי.
תהליך התנועה של היונים באלקטרוליט מבוסס על דיפוזיה, ואינו כולל תנועה פיזית של האלקטרוליט עצמו.
קיימים סוגים שונים של תאי דלק, הבנויים על חומרים אלקטרוליטים שונים, המעבירים דרכם יונים מסוגים שונים.
מסיבות רבות, עדיף להשתמש באלקטרוליט מוצק, על פני אלקטרוליט במצב נוזלי.
