Sebuah sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) adalah sel bahan bakar yang menggunakan hidrogen dan oksigen untuk membebaskan energi listrik. Fitur yang membedakan adalah membran elektrolit yang disebut membran elektroda perakitan (MEA) yang memungkinkan lewatnya proton tetapi tidak elektron. Sebuah sel bahan bakar membran pertukaran proton memiliki aplikasi potensial baik sebagai sel bahan bakar stasioner dan portabel.
MEA memiliki sisi anoda dan sisi katoda. Arus listrik mengalir ke sisi anoda MEA dan keluar dari sisi katodanya. Sebuah sel bahan bakar membran pertukaran proton mengirimkan gas hidrogen ke sisi anoda MEA, yang membagi atom hidrogen menjadi elektron dan proton, sebuah proses yang dapat ditunjukkan oleh persamaan: H2 -> 2e- + 2H+. Proton dalam reaksi ini berjalan melalui MEA ke sisi katodanya, dan elektron melewati sisi katoda MEA melalui sirkuit eksternal. Kombinasi dari proses ini menciptakan arus listrik.
Sebuah sel bahan bakar membran pertukaran proton juga memberikan gas oksigen ke sisi katoda MEA. Jika molekul oksigen diatomik (O2) dapat dipecah menjadi atom oksigen, proton yang melalui MEA dapat bereaksi dengan atom oksigen ini untuk membentuk molekul air. Reaksi ini juga dapat ditunjukkan dengan persamaan: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA harus memenuhi beberapa kriteria untuk menghasilkan listrik. Itu tidak bisa membiarkan gas hidrogen atau oksigen melewatinya. MEA juga harus mampu menahan efek oksidatif pada sisi anoda dan efek reduksi pada sisi katoda.
Katalis platinum dapat digunakan untuk memisahkan molekul hidrogen dengan relatif mudah. Memisahkan molekul oksigen dengan katalis platinum, bagaimanapun, menghasilkan kerugian listrik yang signifikan. Masalah tambahan dengan katalis platinum adalah bahwa sejumlah kecil karbon dioksida akan secara signifikan menurunkan kinerjanya. Para ilmuwan belum menemukan katalis praktis untuk membelah molekul oksigen pada 2010, tetapi katalis yang terdiri dari karbon, besi, dan nitrogen telah menunjukkan yang paling menjanjikan. Kesulitan utama dengan katalis ini adalah bahwa laju reaksinya turun dengan cepat dalam waktu yang singkat.
Air juga menyebabkan kerugian listrik dalam sel bahan bakar membran pertukaran proton. Sel bahan bakar harus mencegah kelebihan air membanjiri MEA tetapi memungkinkan air yang cukup untuk menjaga agar MEA tidak mengering. Pengelolaan air dalam sel bahan bakar membran pertukaran proton sulit dilakukan, karena air tertarik ke sisi katoda MEA. Pompa elektro osmotik adalah salah satu solusi yang mungkin untuk masalah ini.