Die PEMFC-Brennstoffzelle verwendet zwei Elektroden, die von einer Kunststoffmembran getrennt werden. Diese Membran ist gasdicht und verhindert so die unkontrollierte, explosive Reaktion durch Vermischung der eingesetzten Gase Wasserstoff und Sauerstoff. PEM steht für proton exchange membrane, zu Deutsch Protonenaustauschmembran oder polymer electrolyte membrane zu deutsch Polymerelektrolytmembran. Es wird ein Elektrolyt aus Kunststoff (Folie) verwendet. Die Membran lässt nur die von Elektronen befreiten Wasserstoff-Atomkerne durch, Protonen genannt. Die Protonen reagieren an einer Elektrode mit Sauerstoff, wobei Elektrizität und – als einziges Nebenprodukt – Wasser produziert werden.
Dies ist in der Regel eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle. Der Vorteil: Ein Kaltstart ist möglich, das heisst, es ist keine lange Vorwärmzeit erforderlich. Deshalb ist die PEM-Zelle auch gut geeignet für Fahrzeuge. Der Wasserstoff wird dabei aus Erdgas gewonnen, durch ein als Reformierung bezeichnetes chemisches Verfahren. In Japan profitiert man von der Tatsache, dass das einheimische Erdgas sehr rein ist. Das ist ein kritischer Faktor, denn PEM-Brennstoffzellen vertragen kaum Verunreinigungen. Zum Beispiel ist das Gas Kohlenmonoxid, das bei der Reformierung entsteht, ein Gift für den Katalysator, der die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle erst ermöglicht. Im Katalysator selbst wird Edelmetall wie Platin zur Beschleunigung der Reaktionen eingesetzt. Das erhöht die Herstellungskosten der Geräte.