Μια κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) είναι μια κυψέλη καυσίμου που χρησιμοποιεί υδρογόνο και οξυγόνο για να απελευθερώσει ηλεκτρική ενέργεια. Το χαρακτηριστικό γνώρισμά του είναι μια μεμβράνη ηλεκτρολύτη που ονομάζεται συγκρότημα ηλεκτροδίων μεμβράνης (MEA) που επιτρέπει τη διέλευση πρωτονίων αλλά όχι ηλεκτρονίων. Μια κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων έχει πιθανές εφαρμογές τόσο ως σταθερή όσο και ως φορητή κυψέλη καυσίμου.
Ένα ΜΕΑ έχει μια πλευρά ανόδου και μια πλευρά καθόδου. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει στην πλευρά της ανόδου του ΜΕΑ και έξω από την πλευρά της καθόδου του. Μια κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρέχει αέριο υδρογόνο στην πλευρά της ανόδου του ΜΕΑ, η οποία χωρίζει τα άτομα υδρογόνου σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια, μια διαδικασία που μπορεί να φανεί με μια εξίσωση: H2 -> 2e- + 2H+. Τα πρωτόνια σε αυτή την αντίδραση ταξιδεύουν μέσω του ΜΕΑ προς την πλευρά της καθόδου του και τα ηλεκτρόνια περνούν στην πλευρά της καθόδου του ΜΕΑ μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος. Ο συνδυασμός αυτών των διεργασιών δημιουργεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Μια κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρέχει επίσης αέριο οξυγόνο στην πλευρά της καθόδου του ΜΕΑ. Εάν τα μόρια του διατομικού οξυγόνου (O2) μπορούν να χωριστούν σε άτομα οξυγόνου, τα πρωτόνια που ταξιδεύουν μέσω του ΜΕΑ μπορούν να αντιδράσουν με αυτά τα άτομα οξυγόνου για να σχηματίσουν μόρια νερού. Αυτή η αντίδραση μπορεί επίσης να φανεί με μια εξίσωση: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
Η ΜΕΑ πρέπει να πληροί πολλά κριτήρια για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Δεν μπορεί να αφήσει το υδρογόνο ή το αέριο οξυγόνο να ταξιδέψει μέσα από αυτό. Το ΜΕΑ πρέπει επίσης να μπορεί να αντιστέκεται στην οξειδωτική επίδραση στην πλευρά της ανόδου και στην αναγωγική επίδραση στην πλευρά της καθόδου.
Οι καταλύτες πλατίνας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάσπαση μορίων υδρογόνου με σχετική ευκολία. Η διάσπαση των μορίων οξυγόνου με καταλύτες πλατίνας, ωστόσο, παράγει σημαντικές ηλεκτρικές απώλειες. Ένα επιπλέον πρόβλημα με τους καταλύτες πλατίνας είναι ότι μια πολύ μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα θα υποβαθμίσει σημαντικά την απόδοσή τους. Οι επιστήμονες δεν είχαν ανακαλύψει πρακτικό καταλύτη για τη διάσπαση των μορίων οξυγόνου από το 2010, αλλά ένας καταλύτης που αποτελείται από άνθρακα, σίδηρο και άζωτο είχε δείξει τα περισσότερα υποσχόμενα. Η κύρια δυσκολία με αυτόν τον καταλύτη είναι ότι ο ρυθμός αντίδρασής του μειώνεται γρήγορα σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Το νερό προκαλεί επίσης ηλεκτρικές απώλειες σε μια κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Η κυψέλη καυσίμου πρέπει να εμποδίζει το υπερβολικό νερό να πλημμυρίσει το ΜΕΑ, αλλά να αφήνει αρκετό νερό για να μην στεγνώσει το ΜΕΑ. Η διαχείριση του νερού σε μια κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων είναι δύσκολη, επειδή το νερό έλκεται από την πλευρά της καθόδου του ΜΕΑ. Οι ηλεκτροωσμωτικές αντλίες είναι μια πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα.