Protonų mainų membranos kuro elementas (PEMFC) yra kuro elementas, kuris naudoja vandenilį ir deguonį elektros energijai išlaisvinti. Jo skiriamasis bruožas yra elektrolitų membrana, vadinama membraniniu elektrodo agregatu (MEA), leidžiančiu praeiti protonams, bet ne elektronams. Protonų mainų membranos kuro elementas gali būti pritaikytas tiek stacionariai, tiek nešiojamam kuro elementui.
MEA turi anodo ir katodo puses. Elektros srovė teka į MEA anodo pusę ir iš jo katodo pusės. Protonų mainų membranos kuro elementas tiekia vandenilio dujas į MEA anodo pusę, kuri padalija vandenilio atomus į elektronus ir protonus, o šį procesą galima parodyti pagal lygtį: H2 -> 2e- + 2H+. Šios reakcijos protonai keliauja per MEA į katodo pusę, o elektronai pereina į MEA katodo pusę per išorinę grandinę. Šių procesų derinys sukuria elektros srovę.
Protonų mainų membranos kuro elementas taip pat tiekia deguonies dujas į MEA katodo pusę. Jei dviatominio deguonies (O2) molekulės gali būti padalytos į deguonies atomus, protonai, keliaujantys per MEA, gali reaguoti su šiais deguonies atomais ir sudaryti vandens molekules. Šią reakciją taip pat galima parodyti lygtimi: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA turi atitikti kelis kriterijus, kad galėtų gaminti elektros energiją. Jis negali leisti, kad vandenilis ar deguonis galėtų judėti per jį. MEA taip pat turi atsispirti oksidaciniam poveikiui anodo pusėje ir redukciniam poveikiui katodo pusėje.
Platinos katalizatoriai gali būti naudojami vandenilio molekulėms suskaidyti gana lengvai. Tačiau skaidant deguonies molekules su platinos katalizatoriais atsiranda didelių elektros nuostolių. Papildoma platinos katalizatorių problema yra ta, kad labai mažas anglies dioksido kiekis labai pablogins jų veikimą. 2010 m. mokslininkai dar nebuvo atradę praktiško deguonies molekulių skaidymo katalizatoriaus, tačiau iš anglies, geležies ir azoto sudarytas katalizatorius pasirodė esąs perspektyviausias. Pagrindinis šio katalizatoriaus sunkumas yra tas, kad jo reakcijos greitis greitai krenta per trumpą laiką.
Vanduo taip pat sukelia elektros nuostolius protonų mainų membranos kuro elemente. Kuro elementas turi neleisti vandens pertekliui užtvindyti MEA, bet leisti pakankamai vandens, kad MEA neišdžiūtų. Vandens valdymas protonų mainų membranos kuro elemente yra sudėtingas, nes vanduo traukiamas į MEA katodo pusę. Elektroosmosiniai siurbliai yra vienas iš galimų šios problemos sprendimų.