1. ปิดผนึกง่าย

PEMFC มีเยื่อโพลีเมอร์บางๆ เป็นอิเล็กโทรไลต์ เยื่อนี้ตั้งอยู่ระหว่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดและแคโทด และยอมให้โปรตอนผ่านไปยังแคโทดได้ ในขณะที่จำกัดการผ่านของอิเล็กตรอน ยิ่งการเชื่อมต่อของเยื่อโพลีเมอร์กับชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาดีเท่าไร ความต้านทานของอินเตอร์เฟซก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น^{[ 7 ]}เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์เหลว เยื่อโพลีเมอร์มีโอกาสรั่วไหลน้อยกว่ามาก [2] โดยทั่วไปเยื่อนี้ทำจากวัสดุเช่นกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก (PFSA ซึ่งจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในชื่อNafionและ Aquivion) ​​ซึ่งช่วยลดการข้ามของก๊าซและการลัดวงจรของเซลล์เชื้อเพลิง ข้อเสียของโพลีเมอร์ที่มีฟลูออรีนคือ ในระหว่างการผลิต (และการกำจัด) จะเกิดผลิตภัณฑ์ PFASขึ้น PFAS หรือที่เรียกว่าสารเคมีตลอดกาลนั้นมีพิษร้ายแรงมาก โพลิเมอร์รุ่นใหม่ เช่น SPX3 ที่เพิ่งได้รับการจดสิทธิบัตร (POLYMERS COMPRISING SULFONATED 2,6-DIPHENYL-1,4-PHENYLENE OXIDE REPEATING UNITS -US 11434329 B2) ปราศจากฟลูออรีน ดังนั้นจึงไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงจาก PFAS ^{[ 8 ]}

2. อุณหภูมิการทำงานต่ำ

ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งอย่างรุนแรง น้ำที่เกิดจากเซลล์เชื้อเพลิงอาจแข็งตัวเป็นน้ำแข็งในชั้นที่มีรูพรุนและช่องทางการไหล น้ำแข็งที่เกิดขึ้นนี้อาจปิดกั้นการลำเลียงก๊าซและเชื้อเพลิง รวมถึงปกคลุมบริเวณปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยา ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ลดลงและเซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเริ่มต้นทำงานได้

อย่างไรก็ตามอุณหภูมิการทำงาน ที่ต่ำ ของเซลล์เชื้อเพลิง PEM ช่วยให้สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมได้โดยใช้ความร้อนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น ด้วยวิธีการนี้ เซลล์เชื้อเพลิง PEM ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถเริ่มต้นกระบวนการเย็นได้ที่อุณหภูมิ −20°C ^{[ 9 ]}

3. น้ำหนักเบาและมีความหนาแน่นพลังงาน สูง (เหมาะสำหรับงานด้านการขนส่ง)

เซลล์เชื้อเพลิง PEM ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 39.7 kW/kg เมื่อเทียบกับ 2.5 kW/kg สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง^{[ 10 ]}เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูงนี้ จึงมีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการใช้งานที่เป็นไปได้ในด้านการขนส่งและเทคโนโลยีแบบสวมใส่ได้

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ PEM ยังคงมีปัญหาอยู่หลายประการ:

1. การจัดการน้ำ

การจัดการน้ำมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการทำงาน: หากน้ำระเหยช้าเกินไป น้ำจะท่วมเมมเบรน และการสะสมของน้ำภายในแผ่นไหลของสนามจะขัดขวางการไหลของออกซิเจนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง แต่หากน้ำระเหยเร็วเกินไป เมมเบรนจะแห้ง และความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ทั้งสองกรณีจะทำให้เกิดความเสียหายต่อเสถียรภาพและกำลังไฟฟ้า การจัดการน้ำเป็นเรื่องที่ยากมากในระบบ PEM เนื่องจากน้ำในเมมเบรนถูกดึงดูดไปยังแคโทดของเซลล์ผ่านโพลาไรเซชัน^{[ 11 ]}

มีวิธีการจัดการน้ำที่หลากหลาย รวมถึงการนำปั๊มอิเล็กโทรออสโมติกมา ใช้ด้วย

อีกหนึ่งวิธีการนวัตกรรมในการแก้ปัญหาการหมุนเวียนน้ำคือการออกแบบสนามการไหลแบบตาข่ายละเอียด 3 มิติที่ใช้ใน Toyota Mirai ปี 2014 การออกแบบ FC stack แบบดั้งเดิมจะหมุนเวียนน้ำจากช่องอากาศออกไปยังช่องอากาศเข้าผ่านเครื่องทำความชื้นที่มีช่องตรงและสนามการไหลโลหะพรุน^[54]สนามการไหลเป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยซี่โครงและช่อง อย่างไรก็ตาม ซี่โครงจะปิดบังชั้นการแพร่กระจายก๊าซ (GDL) บางส่วน และระยะการขนส่งก๊าซที่เกิดขึ้นจะยาวกว่าระยะห่างระหว่างช่อง นอกจากนี้ แรงดันสัมผัสระหว่าง GDL และซี่โครงยังบีบอัด GDL ทำให้ความหนาไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งซี่โครงและช่อง^[55]ความกว้างขนาดใหญ่และความหนาที่ไม่สม่ำเสมอของซี่โครงจะเพิ่มโอกาสที่ไอน้ำจะสะสมและออกซิเจนจะลดลง ส่งผลให้ออกซิเจนไม่สามารถแพร่กระจายเข้าไปในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ทำให้เกิดการสร้างพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอใน FC

การออกแบบใหม่นี้ทำให้สามารถใช้งาน FC stack ตัวแรกได้โดยไม่ต้องใช้ระบบเพิ่มความชื้น ในขณะเดียวกันก็เอาชนะปัญหาการหมุนเวียนน้ำและบรรลุความเสถียรของกำลังไฟฟ้าขาออกสูง^[54]โครงสร้างไมโครแลตติซ 3 มิติช่วยให้มีเส้นทางการไหลของก๊าซมากขึ้น ดังนั้นจึงส่งเสริมการไหลของอากาศไปยังอิเล็กโทรดเมมเบรนและชุดประกอบชั้นกระจายก๊าซ (MEGA) และส่งเสริมการแพร่กระจายของ O2 ไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา แตกต่างจากสนามการไหลแบบดั้งเดิม โครงสร้างไมโครแลตติซ 3 มิติในสนามที่ซับซ้อนซึ่งทำหน้าที่เป็นแผ่นกั้นและเหนี่ยวนำให้เกิดการไหลของส่วนต่อประสานระดับไมโครบ่อยครั้งระหว่าง GDL และสนามการไหล^[53]เนื่องจากการไหลแบบพาความร้อนระดับไมโครที่เกิดขึ้นซ้ำๆ นี้ การขนส่งออกซิเจนไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (CL) และการกำจัดน้ำเหลวออกจาก GDL จึงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ น้ำที่เกิดขึ้นจะถูกดึงออกอย่างรวดเร็วผ่านสนามการไหล ป้องกันการสะสมภายในรูพรุน ส่งผลให้การผลิตพลังงานจากสนามการไหลนี้มีความสม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัดและทำให้เกิดการเพิ่มความชื้นด้วยตนเอง

2. ความเปราะบางของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมบนเมมเบรนจะถูกทำลายได้ง่ายด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งมักพบในก๊าซผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการปฏิรูปมีเทน (โดยทั่วไปยอมรับได้ไม่เกินหนึ่งส่วนต่อล้านส่วน) โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้ปฏิกิริยาการเปลี่ยนก๊าซน้ำเพื่อกำจัด CO ออกจากก๊าซผลิตภัณฑ์และสร้างไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น^{[ 12 ]}นอกจากนี้ เมมเบรนยังไวต่อการมีอยู่ของไอออนโลหะ ซึ่งอาจทำให้กลไกการนำโปรตอนบกพร่อง และสามารถเกิดขึ้นได้จากการกัดกร่อนของแผ่นขั้วคู่โลหะ ส่วนประกอบโลหะในระบบเซลล์เชื้อเพลิง หรือจากสารปนเปื้อนในเชื้อเพลิง/สารออกซิไดซ์

มีการเสนอ ระบบ PEM ที่ใช้เมทานอล ที่ผ่านกระบวนการรีฟอร์มแล้ว ดังเช่นใน Daimler Chrysler Necar 5 อย่างไรก็ตาม การรีฟอร์มเมทานอล หรือการทำให้เกิดปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ไฮโดรเจน เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก และยังต้องมีการทำให้บริสุทธิ์จากคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาด้วย จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม- รูทีเนียมเนื่องจากคาร์บอนมอนอกไซด์บางส่วนจะเข้าไปในเมมเบรนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ระดับของคาร์บอนมอนอกไซด์ไม่ควรเกิน 10 ส่วนในล้านส่วน นอกจากนี้ เวลาในการเริ่มต้นทำงานของเครื่องปฏิกรณ์รีฟอร์มเมอร์ดังกล่าวใช้เวลาประมาณครึ่งชั่วโมง อีกทางเลือกหนึ่งคือ สามารถป้อนเมทานอลและเชื้อเพลิงชีวภาพ อื่นๆ บางชนิด เข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง PEM ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการรีฟอร์ม ทำให้เกิดเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง ( DMFC ) อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้ประสบความสำเร็จในระดับจำกัด

3. ข้อจำกัดของอุณหภูมิในการทำงาน

เมมเบรนที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือNafionจากChemoursซึ่งอาศัยการให้ความชื้นแก่เมมเบรนด้วยน้ำเพื่อขนส่งโปรตอน นั่นหมายความว่าไม่สามารถใช้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 80 ถึง 90  °C ได้ เนื่องจากเมมเบรนจะแห้ง เมมเบรนชนิดใหม่กว่าที่ใช้โพลีเบนซิมิดาโซล (PBI)หรือกรดฟอสฟอริกสามารถทนอุณหภูมิได้ถึง 220  °C โดยไม่ต้องใช้การจัดการน้ำ (ดูเพิ่มเติมที่เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูง , HT-PEMFC): อุณหภูมิที่สูงขึ้นช่วยให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น ระบายความร้อนได้ง่ายขึ้น (เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่อนุญาตได้มากขึ้น) ลดความไวต่อการเป็นพิษจากคาร์บอนมอนอกไซด์ และควบคุมได้ดีขึ้น (เนื่องจากไม่มีปัญหาการจัดการน้ำในเมมเบรน) อย่างไรก็ตาม เมมเบรนชนิดใหม่เหล่านี้ยังไม่เป็นที่นิยมมากนัก^{[ 13 ]} PBI สามารถเติมกรดฟอสฟอริกหรือ กรดซัลฟิวริก ได้ และค่าการนำไฟฟ้า จะแปรผันตามปริมาณการเติมและอุณหภูมิ^{[ 14 ]}ที่อุณหภูมิสูง การรักษาความชุ่มชื้นของ Nafion ทำได้ยาก แต่สารที่เติมกรดนี้ไม่ได้ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการนำโปรตอน นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางกลที่ดีกว่า มีความแข็งแรงสูงกว่า Nafion และมีราคาถูกกว่า อย่างไรก็ตาม การชะล้างด้วยกรดเป็นปัญหาสำคัญ และกระบวนการแปรรูป การผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างหมึกนั้นค่อนข้างยุ่งยาก โพลิเมอร์อะโรมาติก เช่น PEEK มีราคาถูกกว่าเทฟลอน ( PTFEและโครงสร้างหลักของ Nafion) มาก และลักษณะขั้วของมันทำให้ความชุ่มชื้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้อยกว่า Nafion อย่างไรก็ตาม PEEK มีการนำไอออนน้อยกว่า Nafion มาก ดังนั้นจึงเป็นตัวเลือกอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่เหมาะสม^{[ 15 ]}เมื่อเร็วๆ นี้ ของเหลวไอออนิกโปรติกและผลึกพลาสติกไอออนิกอินทรีย์โปรติกได้รับการแสดงให้เห็นว่าเป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์ทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับ PEMFC ที่อุณหภูมิสูง (100–200  °C) ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

โดยทั่วไป อิเล็กโทรดประกอบด้วยตัวรองรับคาร์บอน อนุภาคแพลทินัม ไอโอโนเมอร์นาฟิออน และ/หรือสารยึดเกาะเทฟลอน ตัวรองรับคาร์บอนทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า อนุภาคแพลทินัมเป็นจุดเกิดปฏิกิริยา ไอโอโนเมอร์เป็นทางเดินสำหรับการนำโปรตอน และสารยึดเกาะเทฟลอนช่วยเพิ่มคุณสมบัติไม่ชอบน้ำของอิเล็กโทรดเพื่อลดการเกิดศักย์ไฟฟ้าท่วม เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่อิเล็กโทรด โปรตอน อิเล็กตรอน และก๊าซตั้งต้น (ไฮโดรเจนหรือออกซิเจน) ต้องสามารถเข้าถึงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในอิเล็กโทรดได้ ในขณะที่น้ำซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจอยู่ในสถานะของเหลวหรือก๊าซ หรือทั้งสองสถานะ ต้องสามารถซึมผ่านจากตัวเร่งปฏิกิริยาไปยังช่องระบายก๊าซได้ คุณสมบัติเหล่านี้มักเกิดขึ้นได้จากวัสดุคอมโพสิตที่มีรูพรุนซึ่งประกอบด้วยสารยึดเกาะอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ (ไอโอโนเมอร์) และอนุภาคนาโนของตัวเร่งปฏิกิริยาที่รองรับอยู่บนอนุภาคคาร์บอน^{[ 19 ]}โดยทั่วไปแพลทินัมจะใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่ขั้วบวกและขั้วลบ ในขณะที่อนุภาคนาโนทำให้มีอัตราส่วนพื้นผิวต่อน้ำหนักสูง (ดังที่อธิบายเพิ่มเติมด้านล่าง) ซึ่งช่วยลดปริมาณแพลทินัมที่มีราคาแพง สารยึดเกาะอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ให้การนำไฟฟ้าของไอออน ในขณะที่ตัวรองรับคาร์บอนของตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าและทำให้สามารถใช้โลหะแพลทินัมในปริมาณต่ำได้^{[ 20 ]}การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรดคอมโพสิตโดยทั่วไปจะสูงกว่าการนำไฟฟ้าของโปรตอนมากกว่า 40 เท่า^{[ 21 ]}

GDL ทำหน้าที่เชื่อมต่อตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเก็บกระแสไฟฟ้าทางไฟฟ้า ต้องมีรูพรุน นำไฟฟ้าได้ และบาง สารตั้งต้นต้องสามารถเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยาได้ แต่การนำไฟฟ้าและรูพรุนอาจเป็นแรงต้านกันได้ โดยทั่วไป GDL ควรประกอบด้วย Nafion ประมาณหนึ่งในสามหรือ PTFE 15% อนุภาคคาร์บอนที่ใช้ใน GDL สามารถมีขนาดใหญ่กว่าอนุภาคที่ใช้ในตัวเร่งปฏิกิริยาได้ เนื่องจากพื้นที่ผิวไม่ใช่ตัวแปรที่สำคัญที่สุดในชั้นนี้ GDL ควรมี ความหนาประมาณ 15–35 ไมโครเมตร เพื่อให้ได้สมดุลระหว่างรูพรุนที่ต้องการกับความแข็งแรงเชิงกล^{[ 22 ]}บ่อยครั้งที่มีการเพิ่มชั้นรูพรุนระดับกลางระหว่าง GDL และชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อช่วยให้การเปลี่ยนผ่านระหว่างรูพรุนขนาดใหญ่ใน GDL และรูพรุนขนาดเล็กในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาง่ายขึ้น เนื่องจากหน้าที่หลักของ GDL คือการช่วยกำจัดน้ำซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ การท่วมอาจเกิดขึ้นได้เมื่อน้ำปิดกั้น GDL อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะจำกัดความสามารถของสารตั้งต้นในการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยาและลดประสิทธิภาพลงอย่างมาก เทฟลอนสามารถเคลือบลงบน GDL เพื่อจำกัดความเป็นไปได้ของการเกิดน้ำท่วม^{[ 15 ]}ตัวแปรระดับจุลภาคหลายตัวได้รับการวิเคราะห์ใน GDLS เช่น ความพรุน ความคดเคี้ยว และการซึมผ่าน ตัวแปรเหล่านี้มีผลต่อพฤติกรรมของเซลล์เชื้อเพลิง^{[ 23 ]}

ประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดเมื่อใช้ สมการ พลังงานอิสระของกิบส์ ΔG = −237.13 kJ/mol และใช้ค่าความร้อนของไฮโดรเจน (ΔH = −285.84 kJ/mol) คือ 83% ที่อุณหภูมิ 298 K

${\displaystyle \eta ={\frac {\Delta G}{\Delta H}}=1-{\frac {T\Delta S}{\Delta H}}}$

ประสิทธิภาพการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ PEM อยู่ในช่วง 50–60% ปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการสูญเสีย ได้แก่:

• การสูญเสียจากการกระตุ้น
• การสูญเสียโอห์มิก
• การสูญเสียจากการขนส่งมวล

ดังที่กล่าวมาข้างต้น แพลทินัมเป็นธาตุที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาเซลล์เชื้อเพลิง PEM และเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในปัจจุบันเกือบทั้งหมดใช้อนุภาคแพลทินัมบนตัวรองรับคาร์บอนที่มีรูพรุนเพื่อเร่งปฏิกิริยาทั้งการออกซิเดชันของไฮโดรเจนและการลดออกซิเจน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากต้นทุนที่สูง ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C ในปัจจุบันจึงไม่สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาประมาณการว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แพลทินัมจะต้องใช้แพลทินัมน้อยกว่าที่ใช้ในการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในปัจจุบันประมาณสี่เท่าจึงจะเป็นทางเลือกที่สมจริงแทนเครื่องยนต์สันดาปภายใน^{[ 34 ]} ด้วยเหตุนี้ เป้าหมายหลักประการหนึ่งของการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง PEM คือการเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของแพลทินัมขึ้นเป็นสี่เท่า เพื่อให้จำเป็นต้องใช้โลหะมีค่าเพียงหนึ่งในสี่เท่านั้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกัน

วิธีหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมคือการปรับขนาดและรูปร่างของอนุภาคแพลทินัมให้เหมาะสม การลดขนาดของอนุภาคเพียงอย่างเดียวจะเพิ่มพื้นที่ผิวทั้งหมดของตัวเร่งปฏิกิริยาที่พร้อมจะเข้าร่วมในปฏิกิริยาต่อปริมาตรของแพลทินัมที่ใช้ แต่การศึกษาล่าสุดได้แสดงให้เห็นถึงวิธีการเพิ่มเติมในการปรับปรุงประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น การศึกษาหนึ่งรายงานว่าระนาบดัชนีสูงของอนุภาคนาโน แพลทินัม (นั่นคือดัชนีมิลเลอร์ที่มีจำนวนเต็มมาก เช่น Pt (730)) ให้ความหนาแน่นของไซต์ปฏิกิริยาสำหรับการลดออกซิเจนมากกว่าอนุภาคนาโนแพลทินัมทั่วไป^{[ 35 ]}

เนื่องจากแพลทินัมซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่พบได้ทั่วไปและมีประสิทธิภาพมากที่สุดนั้นมีราคาแพงมาก จึงจำเป็นต้องมีกระบวนการทางเลือกเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวทางเคมีไฟฟ้าให้สูงสุดและลดปริมาณการบรรจุ การตกตะกอนของอนุภาค Pt ขนาดนาโนลงบนผงคาร์บอน (Pt/C) ทำให้มีพื้นที่ผิว Pt ขนาดใหญ่ ในขณะที่คาร์บอนช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับส่วนที่เหลือของเซลล์ แพลทินัมมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากมีกิจกรรมสูงและจับกับไฮโดรเจนได้อย่างแข็งแรงพอที่จะอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน แต่ไม่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนไปรอบๆ เซลล์ อย่างไรก็ตาม แพลทินัมมีกิจกรรมน้อยลงในปฏิกิริยาลดออกซิเจนของแคโทด ทำให้จำเป็นต้องใช้แพลทินัมมากขึ้น ซึ่งจะเพิ่มค่าใช้จ่ายของเซลล์และทำให้ความเป็นไปได้ลดลง ตัวเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีศักยภาพหลายอย่างถูกตัดออกไปเนื่องจากความเป็นกรดสูงของเซลล์^{[ 15 ]}

วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการสร้าง Pt ระดับนาโนบนผงคาร์บอน ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในปัจจุบัน คือการตกตะกอนด้วยสุญญากาศ การสปัตเตอร์ และการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า อนุภาคแพลทินัมจะถูกตกตะกอนลงบนกระดาษคาร์บอนที่ซึมผ่านด้วย PTFE อย่างไรก็ตาม มีความบางที่เหมาะสมของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยานี้ ซึ่งจำกัดขีดจำกัดต้นทุนที่ต่ำที่สุด หากความหนาน้อยกว่า 4  นาโนเมตร Pt จะก่อตัวเป็นเกาะบนกระดาษ ทำให้ประสิทธิภาพลดลง หากความหนามากกว่านี้ Pt จะเคลือบคาร์บอนและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ ยิ่งไปกว่านั้น Nafion ไม่สามารถแทรกซึมได้เกิน 10  ไมโครเมตร ดังนั้นการใช้ Pt มากกว่านี้จึงเป็นค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็น ดังนั้นปริมาณและรูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดของวัสดุอื่นๆ^{[ 22 ]}

วิธีที่สองในการเพิ่มกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาของแพลทินัมคือการผสมกับโลหะอื่น ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็วๆ นี้พบว่าพื้นผิว Pt Ni(111) มีกิจกรรมการลดออกซิเจนสูงกว่า Pt(111) บริสุทธิ์ถึงสิบเท่า^{[ 36 ]}ผู้เขียนระบุว่าการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมากนี้เกิดจากการปรับเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กตรอน ของพื้นผิว ลดแนวโน้มที่จะจับกับไอออนที่มีออกซิเจนในเซลล์เชื้อเพลิง PEM และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มจำนวนไซต์ที่พร้อมใช้งานสำหรับ การดูดซับและการลดออกซิเจน

ประสิทธิภาพเพิ่มเติมสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้หัวฉีดอัลตราโซนิกในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมกับชั้นอิเล็กโทรไลต์หรือกระดาษคาร์บอนภายใต้สภาวะบรรยากาศ ส่งผลให้ได้สเปรย์ที่มีประสิทธิภาพสูง^{[ 37 ]}การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากขนาดของหยดที่สม่ำเสมอที่สร้างขึ้นโดยสเปรย์ประเภทนี้ เนื่องจากประสิทธิภาพการถ่ายโอนสูงของเทคโนโลยี เนื่องจากลักษณะที่ไม่เกิดการอุดตันของหัวฉีด และสุดท้ายเนื่องจากพลังงานอัลตราโซนิกทำให้สารแขวนลอยแตกตัวก่อนการทำให้เป็นละออง เซลล์เชื้อเพลิง MEA ที่ผลิตด้วยวิธีนี้จึงมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นใน MEA สุดท้าย และการไหลของก๊าซผ่านเซลล์มีความสม่ำเสมอมากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพของแพลทินัมใน MEA สูงสุด^{[ 38 ]} การศึกษาล่าสุดที่ใช้การพิมพ์อิงค์เจ็ทเพื่อวางตัวเร่งปฏิกิริยาบนเมมเบรนยังแสดงให้เห็นถึงการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสูงเนื่องจากความหนาของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ลดลง^{[ 39 ] [ 40 ]}

เมื่อไม่นานมานี้ มีการแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า ORR ประเภทใหม่ในกรณีของระบบ Pt-M (M-Fe ^{[ 41 ]}และ Co) ที่มีแกนโลหะผสมที่เป็นระเบียบซึ่งห่อหุ้มอยู่ภายในเปลือกที่อุดมไปด้วย Pt ^{[ 42 ]} พบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนแกนโลหะผสม-เปลือก (IMCS)เหล่านี้แสดงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้นและที่สำคัญที่สุดคือความทนทานที่ยาวนานขึ้นเมื่อเทียบกับการออกแบบก่อนหน้านี้หลายแบบ ในขณะที่การเพิ่มขึ้นของกิจกรรมที่สังเกตได้นั้นเกิดจากโครงสร้างแลตติซที่ตึงเครียด ผู้เขียนรายงานว่าการค้นพบของพวกเขาเกี่ยวกับจลนศาสตร์การเสื่อมสภาพแสดงให้เห็นว่าความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ยาวนานขึ้นนั้นเกิดจากระเบียบอะตอมที่ยั่งยืน

แนวทางที่นิยมอีกวิธีหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการลดความไวต่อสิ่งเจือปนในแหล่งเชื้อเพลิง โดยเฉพาะคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ^{[ 12 ]} ปัจจุบัน การผลิตก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในปริมาณมากด้วยกระบวนการ อิเล็กโทรไลซิสเริ่มมีต้นทุนที่คุ้มค่ามากขึ้นอย่างไรก็ตาม ในขณะนี้ ก๊าซไฮโดรเจนส่วนใหญ่ผลิตโดยการปฏิรูปไอน้ำ ของ ไฮโดรคาร์บอนเบาซึ่งเป็นกระบวนการที่ผลิตก๊าซผสมที่มี CO (1–3%), CO2 19–25%) และ N2 25%) ^{[ 43 ]}แม้แต่ CO เพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วนก็สามารถทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมบริสุทธิ์เป็นพิษได้ ดังนั้น การเพิ่มความต้านทานของแพลทินัมต่อ CO จึงเป็นหัวข้อการวิจัยที่กำลังดำเนินการอยู่

ตัวอย่างเช่น การศึกษาหนึ่งรายงานว่าอนุภาคนาโนแพลทินัมรูปทรงลูกบาศก์ที่มีระนาบ(100)แสดงกิจกรรมการลดออกซิเจนเพิ่มขึ้นสี่เท่าเมื่อเทียบกับอนุภาคนาโนแพลทินัมที่มีระนาบแบบสุ่มที่มีขนาดใกล้เคียงกัน^{[ 44 ]}ผู้เขียนสรุปว่าระนาบ (111) ของอนุภาคนาโนรูปทรงแบบสุ่มจะยึดเกาะกับ ไอออน ซัลเฟต ได้แน่นกว่า ระนาบ (100) ทำให้จำนวนไซต์เร่งปฏิกิริยาที่เปิดรับโมเลกุลออกซิเจนลดลง ในทางตรงกันข้าม นาโนคิวบ์ที่พวกเขาสังเคราะห์ขึ้นนั้นมีระนาบ (100) เกือบทั้งหมด ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่ามีปฏิกิริยากับซัลเฟตได้อ่อนกว่า ส่งผลให้พื้นที่ผิวทางเคมีไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งช่วยเพิ่มกิจกรรมการลดออกซิเจนของตัวเร่งปฏิกิริยา

นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้ศึกษาหาวิธีลดปริมาณ CO ในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนก่อนที่จะเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งที่อาจช่วยหลีกเลี่ยงการทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นพิษ การศึกษาล่าสุดพบว่าอนุภาคนาโนแกนเปลือกรูทีเนียม-แพลทินัมมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการออกซิไดซ์ CO เพื่อสร้าง CO2 เป็นสารปนเปื้อนในเชื้อเพลิงที่เป็นอันตรายน้อยกว่ามาก^{[ 45 ]}กลไกที่ทำให้เกิดผลนี้คล้ายคลึงกับที่อธิบายไว้สำหรับ Pt3Ni ข้างต้นในเชิงแนวคิดแกนรูทีเนียมของอนุภาคจะเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กตรอนของพื้นผิวแพลทินัม ทำให้สามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของ CO ได้ดีขึ้น

ความท้าทายต่อความเป็นไปได้ของเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในปัจจุบันยังคงอยู่ที่ต้นทุนและความเสถียร ต้นทุนที่สูงส่วนใหญ่เกิดจากการใช้โลหะมีค่าอย่างแพลทินัมในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาของเซลล์ PEM ปัจจุบันตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าคิดเป็นเกือบครึ่งหนึ่งของต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิง^{[ 46 ]}แม้ว่าปริมาณ Pt ในเซลล์เชื้อเพลิง PEM จะลดลงถึงสองลำดับขนาดในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา^{[ 47 ]}แต่การลดลงเพิ่มเติมยังคงจำเป็นเพื่อให้เทคโนโลยีนี้มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ในขณะที่ความพยายามในการวิจัยบางส่วนมุ่งเป้าไปที่การแก้ไขปัญหานี้โดยการปรับปรุงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt ทางเลือกอื่นคือการกำจัดการใช้ Pt ออกไปโดยสิ้นเชิงโดยการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดที่ไม่ใช่โลหะกลุ่มแพลทินัม (non-PGM) ซึ่งมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเทคโนโลยีที่ใช้ Pt กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้กำหนดเป้าหมายสำคัญสำหรับการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง โดยมุ่งเป้าไปที่ความทนทาน 5,000 ชั่วโมง และกิจกรรมเชิงปริมาตรของตัวเร่งปฏิกิริยา ORR ที่ไม่ใช่ PGM ที่ 300 A cm ^{−3 [ 48 ]}

ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ/ไนโตรเจน/คาร์บอน (M/N/C-catalysts) เป็นทางเลือกที่น่าสนใจแทนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานสูง หรือกำลังไฟฟ้าต่อพื้นที่ผิวของเซลล์สูง ต้องมีกิจกรรมเชิงปริมาตรอย่างน้อย 1/10 ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt ^{[ 46 ]}พร้อมกับคุณสมบัติการขนส่งมวลที่ดี แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยา M/N/C จะยังมีกิจกรรมเชิงปริมาตรต่ำกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt แต่ต้นทุนที่ลดลงของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ทำให้สามารถบรรจุได้มากขึ้นเพื่อชดเชย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา M/N/C ยังทำให้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาหนาขึ้น ซึ่งทำให้คุณสมบัติการขนส่งมวลลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง H , O , โปรตอน และอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ยากขึ้น ทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกของเซลล์ลดลง ในขณะที่ไมโครพอโรซิตี้สูงของเครือข่ายตัวเร่งปฏิกิริยา M/N/C ส่งผลให้มีกิจกรรมเชิงปริมาตรสูง คุณสมบัติการขนส่งมวลที่ดีขึ้นกลับเกี่ยวข้องกับมาโครพอโรซิตี้ของเครือข่าย วัสดุ M/N/C เหล่านี้ถูกสังเคราะห์โดยใช้การไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูงและการบำบัดที่อุณหภูมิสูงอื่นๆ ของสารตั้งต้นที่มีโลหะ ไนโตรเจน และคาร์บอน^{[ 49 ]}

เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา Fe/N/C ที่ได้มาจากเหล็ก(II) อะซิเตต (FeAc), ฟีนันโทรลีน (Phen) และโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF) โดย MOF ดังกล่าวเป็นโครงสร้างซีโอไลต์อิมิดาโซเลตเฟรมเวิร์ก Zn(II) (ZIF) ที่เรียกว่า ZIF-8 ซึ่งแสดงให้เห็นพื้นที่ผิวไมโครพรุนสูงและปริมาณไนโตรเจนสูงที่เอื้อต่อกิจกรรม ORR ^{[ 46 ]}พบว่าความหนาแน่นของพลังงานของตัวเร่งปฏิกิริยา FeAc/Phen/ZIF-8 อยู่ที่ 0.75 W cm ⁻²ที่ 0.6 V ค่านี้เป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเทียบกับความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด 0.37 W cm ⁻²ของตัวเร่งปฏิกิริยา M/N/C ก่อนหน้านี้ และใกล้เคียงกับค่าทั่วไป 1.0–1.2 W cm ⁻²สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt โดยมีปริมาณ Pt 0.3  mg cm ⁻²ตัวเร่งปฏิกิริยายังแสดงกิจกรรมเชิงปริมาตรที่ 230 A·cm ⁻³ซึ่งเป็นค่าสูงสุดสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ PGM จนถึงปัจจุบัน^{[ 46 ]}ซึ่งใกล้เคียงกับเกณฑ์มาตรฐานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ

แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานที่ได้จากตัวเร่งปฏิกิริยา FeAc/Phen/ZIF-8 ใหม่จะมีแนวโน้มที่ดี แต่ความทนทานยังไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ มีรายงานว่าความทนทานที่ดีที่สุดที่แสดงโดยตัวเร่งปฏิกิริยานี้ยังคงมีการลดลงของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า 15% ในช่วง 100 ชั่วโมงใน H2 อากาศ^{[ 46 ]}ดังนั้น แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ PGM ที่ใช้ Fe จะเทียบเท่ากับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Pt ในด้านกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี แต่ก็ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำเพื่อทำความเข้าใจกลไกการเสื่อมสภาพและปรับปรุงความทนทาน^{[ 50 ] [ 51 ]}