Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna (PEMFC) ir kurināmā šūna, kas izmanto ūdeņradi un skābekli, lai atbrīvotu elektrisko enerģiju. Tās atšķirīgā iezīme ir elektrolīta membrāna, ko sauc par membrānas elektrodu komplektu (MEA), kas ļauj šķērsot protonus, bet ne elektronus. Protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementam ir potenciāls pielietojums gan kā stacionārai, gan pārnēsājamai degvielas šūnai.
MEA ir anoda puse un katoda puse. Elektriskā strāva ieplūst MEA anoda pusē un ārā no katoda puses. Protonu apmaiņas membrānas kurināmā šūna piegādā ūdeņraža gāzi uz MEA anoda pusi, kas sadala ūdeņraža atomus elektronos un protonos, un šo procesu var parādīt ar vienādojumu: H2 -> 2e- + 2H+. Protoni šajā reakcijā pārvietojas caur MEA uz tā katoda pusi, un elektroni caur ārējo ķēdi nokļūst MEA katoda pusē. Šo procesu kombinācija rada elektrisko strāvu.
Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna arī piegādā skābekļa gāzi uz MEA katoda pusi. Ja divatomiskā skābekļa (O2) molekulas var sadalīt skābekļa atomos, protoni, kas pārvietojas caur MEA, var reaģēt ar šiem skābekļa atomiem, veidojot ūdens molekulas. Šo reakciju var parādīt arī ar vienādojumu: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
MEA ir jāatbilst vairākiem kritērijiem, lai ražotu elektroenerģiju. Tas nevar ļaut ūdeņradim vai skābekļa gāzei pārvietoties caur to. MEA arī jāspēj pretoties oksidatīvajai iedarbībai anoda pusē un reducējošajai iedarbībai katoda pusē.
Platīna katalizatorus var izmantot, lai salīdzinoši viegli sadalītu ūdeņraža molekulas. Tomēr skābekļa molekulu sadalīšana ar platīna katalizatoriem rada ievērojamus elektriskos zudumus. Papildu problēma ar platīna katalizatoriem ir tāda, ka ļoti mazs oglekļa dioksīda daudzums būtiski pasliktinās to veiktspēju. Zinātnieki nebija atklājuši praktisku katalizatoru skābekļa molekulu sadalīšanai 2010. gadā, bet katalizators, kas sastāv no oglekļa, dzelzs un slāpekļa, bija izrādījis visdaudzsološāko. Galvenā šī katalizatora grūtība ir tā, ka tā reakcijas ātrums ātri samazinās īsā laika periodā.
Ūdens izraisa arī elektriskos zudumus protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnā. Kurināmā elementam ir jānovērš liekā ūdens pārpludināšana MEA, bet jānodrošina pietiekami daudz ūdens, lai MEA neizžūtu. Ūdens apsaimniekošana protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnā ir sarežģīta, jo ūdens tiek piesaistīts MEA katoda pusei. Elektroosmotiskie sūkņi ir viens no iespējamiem šīs problēmas risinājumiem.