Die Proton Exchange Membran, kurz PEM, ist eine Polymermembran und das Herzstück der Brennstoffzelle. Damit die Membran funktioniert, muss sie im Betrieb immer befeuchtet sein. Die eingeblasene Luft wird deshalb vorher angefeuchtet.
Die Membran ist gasdicht, um eine direkte Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff zu verhindern. Diese ist für Elektronen nicht passierbar und somit elektrisch nicht leitend.
Der Kern des Wasserstoffatoms, das Proton, kann jedoch durch die Membran hindurchwandern. Die Membran lässt eine Reaktion bestimmter Wasserstoff- und Sauerstoffteilchen zu, allerdings können die Elektronen des Wasserstoffatoms nicht durch die Membran hindurch und müssen über die Anode und den Verbraucher zur Kathode, um dort die Oxidation zu vervollständigen.
Auf beiden Seiten der Membran ist eine Reaktivschicht, die als Katalysator dient. Zwischen der Membran und den Elektroden ist ein poröses Carbon Papier verbaut.
