Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất từ 40 đến 50% và vận hành ở nhiệt độ thấp, khoảng từ 600C đến 800C. Công suất dòng ra khá linh hoạt, có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ gọn hay cả trong khoảng từ 50 kW đến 250 kW cho các ứng dụng trong gia đình, xe cộ hay cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEMFC đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V.
Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer thường có các bộ phận cơ bản sau:
- Các điện cực, bao gồm anode và cathode, thông thường dược làm bằng carbon.
- Màng trao đổi proton ở giữa hai điện cực. - Lớp chất xúc tác, thường là platin.
Ngoài ra, để pin hoạt động có hiệu quả thì việc quản lí nước trong pin là vấn đề then chốt. Pin nhiên liệu loại này phải được hoạt động trong điều kiện mà nước không bay hơi nhanh hơn so với nước được sản xuất ra, bởi vì màng phải được hydrat hóa để đảm bảo tính dẫn ion của màng. Vì thế, pin nhiên liệu loại này cần có một bộ phận quan trọng khác là bộ làm ẩm.
Hình 2.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện
phân polymer
Công dụng của các bộ phận như sau:
a) Anode
Anode của pin nhiên liệu có công dụng dẫn khí hydro đến bề mặt của chất xúc tác và dẫn các electron được tách ra từ phân tử hydro để sử dụng cho mạch điện bên ngoài. Nó có những đường gạch rất nhỏ và đều đặn để khí hydro được phân bố đều khi gặp chất xúc tác.
b) Cathode
Cathode cũng có cấu tạo tương tự như anode và có công dụng dẫn khí oxy tới mặt của chất xúc tác, đồng thời nó cũng dẫn những electron sau khi phản ứng từ mạch điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước.
c) Màng trao đổi proton
Màng trao đổi proton là một bộ phận rất quan trọng trong pin nhiên liệu, nó có công dụng dẫn các proton, đồng thời ngăn cản các electron di chuyển từ anode sang cathode của pin nhiên liệu.
d) Chất xúc tác
Chất xúc tác là một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng của hydro và oxy dễ dàng hơn. Đặc biệt, nó làm thay đổi trạng thái hóa học của hydro và oxy nhưng không bao giờ tự thay đổi. Chất này thường là bột bạch kim. Ở một số loại, nó được phủ trực tiếp lên màng trao đổi ion; một số loại khác, nó được phủ
rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ, mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với màng trao đổi proton.
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các thành phần của PEMFC đơn
e) Bộ làm ẩm
Làm ẩm khí phản ứng là một khía cạnh quan trọng cho sự hoạt động của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton. Sự làm ẩm không đầy đủ thì khả năng dẫn ion không thể xảy ra, điều đó là mối nguy hại cho pin nhiên liệu. Lượng nước mà khí phản ứng có thể hấp thụ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của quá trình làm ẩm (đặc biệt là tại áp suất thấp). Khí nóng hơn sẽ giữ nhiều nước hơn là khí lạnh.
Một số pin nhiên liệu có bộ làm ẩm được tích hợp luôn bên trong, số còn lại thì bộ làm ẩm được đặt riêng bên ngoài.
Bộ làm ẩm đặt bên trong gồm những tấm làm bằng graphit đặt nối tiếp nhau ngay bên trong cụm pin nhiên liệu.
Bộ làm ẩm được đặt bên trong, với nước làm ẩm được lấy trực tiếp từ nước làm mát pin sẽ giúp cho hệ thống đơn giản hơn. Tuy nhiên, cách bố trí này thì nước làm mát cho pin nhiên liệu phải sử dụng nước tinh khiết. Tuy nhiên, nước tinh khiết sẽ bị đóng băng khi gặp thời tiết lạnh sẽ làm tăng thêm vấn đề cho khởi động lạnh. Hơn nữa việc kết hợp cụm pin nhiên liệu với bộ làm ẩm làm cho nó trở nên đồ sộ hơn và bảo dưỡng phức tạp hơn
Bộ làm ẩm đặt bên ngoài là loại phổ biến nhất nó có thể được thiết kế theo kiểu màng hay theo kiểu tiếp xúc. Bộ làm ẩm kiểu màng hoạt động giống như kiểu bộ làm ẩm đặt bên trong pin nhiên liệu. Bộ làm ẩm kiểu tiếp xúc hoạt động bằng cách phun nước làm ẩm lên trên một bề mặt nóng hoặc vào trong một buồng có diện tích bề mặt lớn để khí phản ứng chảy xuyên qua đó, như vậy sẽ làm cho khí phản ứng được bão hòa nước. Với bộ làm ẩm đặt bên ngoài thì nước làm ẩm được lấy từ nước làm mát hay được lấy từ mạch nước đã được làm ấm.