En proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) är en bränslecell som använder väte och syre för att frigöra elektrisk energi. Dess utmärkande särdrag är ett elektrolytmembran som kallas en membranelektrodanordning (MEA) som tillåter passage av protoner men inte elektroner. En protonbytesmembranbränslecell har potentiella tillämpningar som både stationär och portabel bränslecell.
En MEA har en anodsida och en katodsida. En elektrisk ström flyter in i MEA:s anodsida och ut från dess katodsida. En protonbytesmembranbränslecell levererar vätgas till MEA:s anodsida, vilket delar upp väteatomerna till elektroner och protoner, en process som kan visas med en ekvation: H2 -> 2e- + 2H+. Protonerna i denna reaktion färdas genom MEA till dess katodsida, och elektronerna passerar till MEA:s katodsida genom en extern krets. Kombinationen av dessa processer skapar en elektrisk ström.
En bränslecell med protonbytesmembran levererar också syrgas till MEA:s katodsida. Om molekylerna av diatomiskt syre (O2) kan delas upp i syreatomer, kan protonerna som färdas genom MEA reagera med dessa syreatomer för att bilda vattenmolekyler. Denna reaktion kan också visas med en ekvation: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA måste uppfylla flera kriterier för att producera el. Den kan inte tillåta väte eller syrgas att färdas genom den. MEA måste också kunna motstå den oxidativa effekten på anodsidan och den reducerande effekten på katodsidan.
Platinakatalysatorer kan användas för att dela vätemolekyler relativt lätt. Att dela syremolekyler med platinakatalysatorer ger emellertid betydande elektriska förluster. Ett ytterligare problem med platinakatalysatorer är att en mycket liten mängd koldioxid avsevärt försämrar deras prestanda. Forskare hade inte upptäckt en praktisk katalysator för att splittra syremolekyler från och med 2010, men en katalysator bestående av kol, järn och kväve hade visat sig mest lovande. Den primära svårigheten med denna katalysator är att dess reaktionshastighet sjunker snabbt under en kort tidsperiod.
Vatten orsakar också elektriska förluster i en protonbytesmembranbränslecell. Bränslecellen måste förhindra överskottsvatten från att översvämma MEA men tillåta tillräckligt med vatten för att hålla MEA från att torka ut. Vattenhantering i en protonutbytesmembranbränslecell är svår, eftersom vattnet attraheras till katodsidan av MEA. Elektroosmotiska pumpar är en möjlig lösning på detta problem.