3.β Proton Exchange Membrane Fuel Cells - Στοιχεία καύσης μεμβρανικής ανταλλαγής πρωτονίων

Η τεχνολογία αυτού του στοιχείου καύσης εφευρέθηκε από την General Electric στη δεκαετία του 1950 και χρησιμοποιήθηκε από τη ΝΑSA για την εξασφάλιση της απαιτούμενης ενέργειας σε διαστημικά προγράμματα. Είναι, από τα στοιχεία καύσης, αυτό που προτιμούν περισσότερο οι αυτοκινητοβιομηχανίες ως αντικαταστάτη για τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Τα PEMFC είναι επίσης γνωστά ως στοιχεία καύσης πολυμερικών ηλεκτρολυτικών μεμβρανών, ως στερεά πολυμερικά ηλεκτρολυτικά στοιχεία καύσης ή ως πολυμερικά ηλεκτρολυτικά στοιχεία καύσης. 
Το διάγραμμα παρακάτω δείχνει το βασικό σχεδιασμό του στοιχείου καυσίμου ΡΕΜ.

Στο στοιχείο αυτό ο ηλεκτρολύτης είναι μία λεπτή πολυμερική μεμβράνη (Nafion) που είναι διαπερατή στα πρωτόνια (Η+) αλλά δεν επιτρέπει τη διέλευση των ηλεκτρονίων.
Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από πορώδη άνθρακα και διαποτισμένα από έναν καταλύτη λευκόχρυσου (Pt). Το υδρογόνο που χρησιμοποιείται ως καύσιμο υλικό μπορεί να είναι είτε καθαρό είτε να προέρχεται από μετασχηματισμό άλλων καυσίμων όπως υδρογονανθράκων ή οινοπνεύματος πράγμα που απαιτεί την ύπαρξη κατάλληλου συστήματος μετασχηματισμού καυσίμων.  Το υδρογόνο  ρέει στο στοιχείο καύσης προς την άνοδο, όπου και οξειδώνεται σε υδρογονοκατιόντα (πρωτόνια) και ηλεκτρόνια. Τα υδρογονοκατιόντα διαπερνούν κατά μήκος τον ηλεκτρολύτη κατευθυνόμενα προς την κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια ρέουν διαμέσου ενός εξωτερικού κυκλώματος εξασφαλίζοντας ηλεκτρική ενέργεια. Το οξυγόνο, υπό μορφή αέρα, παρέχεται στην κάθοδο όπου αναγόμενο συνδυάζεται με τα υδρογονοκατιόντα και τα ηλεκτρόνια προς σχηματισμό νερού.

Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι εξής:

Άνοδος (-) Οξείδωση του υδρογόνου :  2H2  →  4H+  +  4e-

Κάθοδος (+) Αναγωγή του Οξυγόνου: Ο2 + 4Η+ + 4e- →  2H2O
------------------------------------------------------------------------------------
Συνολική αντίδραση                  2H2  +  Ο2  →  2H2O  +  ενέργεια

Τα στοιχεία καύσης ΡΕΜ λειτουργούν σε μια θερμοκρασία γύρω στους 80°C. Σ’ αυτή τη χαμηλή θερμοκρασία οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις θα πραγματοποιόντουσαν κανονικά πολύ αργά γι’ αυτό και καταλύονται από ένα πολύ λεπτό στρώμα από πλατίνα (Pt) σε κάθε ηλεκτρόδιο. Αυτή η μονάδα ηλεκτροδίων /ηλεκτρολύτη είναι γνωστή ως membrane electrode assembly (MEA) και πακετάρεται μεταξύ δύο πιάτων πεδίου ροής για να δημιουργήσει ένα στοιχείο καυσίμου. Αυτά τα πιάτα περιέχουν τα αυλάκια για να διοχετεύσουν τα καύσιμα στα ηλεκτρόδια και να άγουν τα ηλεκτρόνια έξω από την μονάδα ΜΕΑ. Κάθε στοιχείο καυσίμου παράγει περίπου 0,7 V. Με σκοπό να παραχθεί μία υψηλότερη τάση ένας αριθμός από μεμονωμένα στοιχεία συνδυάζονται σε σειρά για να σχηματίσουν μία δομή γνωστή ως σωρός στοιχείων καυσίμου.

Στοιχείο καύσης ΡΕΜ  1,2 KW

Σωρός στοιχείων καύσης PEMFC