เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้า คุณสมบัติที่โดดเด่นของมันคือเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์ที่เรียกว่าเมมเบรนอิเล็กโทรดแอสเซมบลี (MEA) ที่ช่วยให้การผ่านของโปรตอน แต่ไม่ใช่อิเล็กตรอน เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนมีการใช้งานที่มีศักยภาพเป็นทั้งเซลล์เชื้อเพลิงแบบคงที่และแบบพกพา
กฟน. มีขั้วบวกและขั้วลบ กระแสไฟฟ้าไหลเข้าด้านขั้วบวกของกฟน. และด้านขั้วลบ เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนส่งก๊าซไฮโดรเจนไปยังด้านขั้วบวกของการไฟฟ้านครหลวงซึ่งแยกอะตอมไฮโดรเจนเป็นอิเล็กตรอนและโปรตอนกระบวนการที่สามารถแสดงได้โดยสมการ: H2 -> 2e- + 2H + โปรตอนในปฏิกิริยานี้เดินทางผ่านกฟน. ไปยังด้านแคโทดของมันและอิเล็กตรอนจะผ่านไปยังด้านแคโทดของกฟน. ผ่านวงจรภายนอก การรวมกันของกระบวนการเหล่านี้สร้างกระแสไฟฟ้า
เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนยังส่งก๊าซออกซิเจนไปยังด้านแคโทดของการไฟฟ้านครหลวง หากโมเลกุลของไดอะตอมมิกออกซิเจน (O2) สามารถแบ่งออกเป็นอะตอมออกซิเจนโปรตอนที่เดินทางผ่าน MEA สามารถทำปฏิกิริยากับอะตอมของออกซิเจนเหล่านี้เพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ ปฏิกิริยานี้ยังสามารถแสดงให้เห็นได้จากสมการ: O + 2H + + 2e- -> H 2 O
การไฟฟ้านครหลวงจะต้องเป็นไปตามเกณฑ์หลายประการเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ไม่สามารถอนุญาตให้ไฮโดรเจนหรือก๊าซออกซิเจนเดินทางผ่านได้ การไฟฟ้านครหลวงจะต้องสามารถต้านทานผลกระทบออกซิเดชันในด้านขั้วบวกและผลกระทบลดลงในด้านแคโทด
ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมสามารถใช้ในการแยกโมเลกุลไฮโดรเจนได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตามการแยกโมเลกุลออกซิเจนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทองคำขาวทำให้เกิดการสูญเสียทางไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ ปัญหาเพิ่มเติมของตัวเร่งปฏิกิริยาทองคำขาวคือคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณเล็กน้อยจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานได้จริงในการแยกโมเลกุลออกซิเจน ณ ปี 2010 แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยคาร์บอนเหล็กและไนโตรเจนได้แสดงให้เห็นถึงคำสัญญามากที่สุด ปัญหาหลักของตัวเร่งปฏิกิริยานี้คืออัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้น ๆ
น้ำยังทำให้เกิดการสูญเสียไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแผ่นแลกเปลี่ยนโปรตอน เซลล์เชื้อเพลิงจะต้องป้องกันน้ำส่วนเกินจากน้ำท่วมกฟน. แต่ให้น้ำเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้กฟน. แห้ง การจัดการน้ำในเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นเรื่องยากเพราะน้ำถูกดึงดูดไปยังด้านแคโทดของการไฟฟ้านครหลวง เครื่องสูบน้ำไฟฟ้าแบบออสโมติกเป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้
