Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC) je gorivna celica, ki uporablja vodik in kisik za sproščanje električne energije. Njegova značilnost je elektrolitska membrana, imenovana sklop membranskih elektrod (MEA), ki omogoča prehod protonov, ne pa tudi elektronov. Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano ima potencialno uporabo tako kot stacionarna kot kot prenosna gorivna celica.
MEA ima anodno in katodno stran. Električni tok teče na anodno stran MEA in iz katodne strani. Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano dovaja vodikov plin na stran anode MEA, ki razdeli atome vodika na elektrone in protone, proces, ki ga lahko prikažemo z enačbo: H2 -> 2e- + 2H+. Protoni v tej reakciji potujejo skozi MEA na njegovo katodno stran, elektroni pa prehajajo na stran katode MEA skozi zunanje vezje. Kombinacija teh procesov ustvarja električni tok.
Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano dovaja tudi plin kisika na stran katode MEA. Če je mogoče molekule dvoatomskega kisika (O2) razdeliti na atome kisika, lahko protoni, ki potujejo skozi MEA, reagirajo s temi atomi kisika in tvorijo molekule vode. To reakcijo lahko prikažemo tudi z enačbo: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA mora izpolnjevati več meril za proizvodnjo električne energije. Ne more dovoliti, da vodik ali kisik potujeta skozi njega. MEA se mora tudi upreti oksidativnemu učinku na strani anode in redukcijskemu učinku na strani katode.
Platinasti katalizatorji se lahko uporabljajo za ločitev vodikovih molekul z relativno lahkoto. Razcepitev molekul kisika s platinskimi katalizatorji pa povzroči znatne električne izgube. Dodatna težava platinastih katalizatorjev je, da zelo majhna količina ogljikovega dioksida znatno poslabša njihovo delovanje. Znanstveniki od leta 2010 niso odkrili praktičnega katalizatorja za cepitev molekul kisika, vendar je najbolj obetaven katalizator, sestavljen iz ogljika, železa in dušika. Glavna težava tega katalizatorja je, da njegova reakcijska hitrost v kratkem času hitro pade.
Voda povzroča tudi električne izgube v gorivnih celicah s protonsko izmenjevalno membrano. Gorivna celica mora preprečiti, da bi odvečna voda poplavila MEA, vendar pustiti dovolj vode, da se MEA ne izsuši. Upravljanje z vodo v gorivni celici z membransko protonsko izmenjavo je težko, ker vodo privlači katodna stran MEA. Ena možna rešitev tega problema so elektro osmotske črpalke.