Goriva ćelija s protonskom izmjenom (PEMFC) je gorivna ćelija koja koristi vodik i kisik za oslobađanje električne energije. Njegovo razlikovno obilježje je elektrolitska membrana nazvana sklop membranskih elektroda (MEA) koji omogućuje prolaz protona, ali ne i elektrona. Goriva ćelija s protonskom izmjenom ima potencijalnu primjenu i kao stacionarna i kao prijenosna gorivna ćelija.
MEA ima anodnu i katodnu stranu. Električna struja teče u MEA-ovu anodnu stranu i izvan katodne strane. Goriva ćelija s membranom za protonsku izmjenu isporučuje plin vodik na MEA-ovu anodnu stranu, koja dijeli atome vodika na elektrone i protone, proces koji se može prikazati jednadžbom: H2 -> 2e- + 2H+. Protoni u ovoj reakciji putuju kroz MEA do njegove katodne strane, a elektroni prolaze na katodnu stranu MEA kroz vanjski krug. Kombinacija ovih procesa stvara električnu struju.
Gorivna ćelija s membranom za protonsku izmjenu također isporučuje plin kisika na katodnu stranu MEA-e. Ako se molekule dvoatomskog kisika (O2) mogu podijeliti na atome kisika, protoni koji putuju kroz MEA mogu reagirati s tim atomima kisika i formirati molekule vode. Ova reakcija se također može prikazati jednadžbom: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA mora zadovoljiti nekoliko kriterija kako bi proizvodila električnu energiju. Ne može dopustiti da plin vodik ili kisik putuju kroz njega. MEA također mora biti u stanju odoljeti oksidativnom učinku na strani anode i redukcijskom učinku na strani katode.
Platinasti katalizatori mogu se relativno lako koristiti za cijepanje molekula vodika. Međutim, cijepanje molekula kisika s platinskim katalizatorima proizvodi značajne električne gubitke. Dodatni problem s platinskim katalizatorima je taj što će vrlo mala količina ugljičnog dioksida značajno pogoršati njihov učinak. Znanstvenici nisu otkrili praktičan katalizator za cijepanje molekula kisika od 2010. godine, ali katalizator sastavljen od ugljika, željeza i dušika pokazao je najviše obećanja. Primarna poteškoća s ovim katalizatorom je ta što njegova brzina reakcije brzo opada tijekom kratkog vremenskog razdoblja.
Voda također uzrokuje električne gubitke u gorivnoj ćeliji membrane protonske izmjene. Gorivna ćelija mora spriječiti da višak vode poplavi MEA, ali dopustiti dovoljno vode da se MEA ne osuši. Upravljanje vodom u gorivnoj ćeliji s membranom za protonsku izmjenu je teško, jer se voda privlači na katodnu stranu MEA. Elektroosmotske pumpe jedno su od mogućih rješenja za ovaj problem.