באנגלית נקרא תא דלק זה:
PEM = Proton Exchange Membrane
= Polymer Electrolyte Membrane
זוהי הטכנולוגיה המבטיחה ביותר כיום לכלי התחבורה.
תאי דלק אלו קלי משקל יחסית, תופסים מעט מקום, מאפשרים התחלת שימוש וסיום שימוש מהירים.
האלקטרוליט בתא דלק מסוג זה הוא ממברנה (קרום דק), המורכבת מחומר פולימרי, בתוספת:
Sulfonated FluoroCarbon
הממברנה חייבת להיות רוויה במים.
פרוטונים המשתחררים בריאקציה הכימית באנודה, נעים דרך הממברנה, ביחד עם מולקולות המים, אל הקתודה. בקתודה הם מתחברים עם החמצן ליצירת מים.
עקב התלות בנוכחות מולקולות מים, חייב תא דלק מסוג זה לפעול בטמפרטורה נמוכה מ 100 מעלות צלסיוס, שהיא טמפרטורת הרתיחה של המים. כאשר משתמשים בממברנה תחת לחץ, ניתן להרחיב מעט את טווח הטמפרטורות בהם הוא פועל. בסיכום, תא דלק זה פועל בתחום טמפרטורות שבין 20-130 מעלות צלסיוס.
כאשר כמות המים בממברנה יורדת, יורדת גם המוליכות של האלקטרוליט לפרוטונים.
היון העובר דרך הממברנה הוא פרוטון (H2).
תאי דלק מסוג זה מוגבלים לפעולה עם מימן מולקולרי כדלק. כאשר משתמשים במתאנול כדלק לתא דלק מסוג זה, הוא עלול לעבור דרך האלקטרוליט לקתודה, שם הוא יוצר ריאקציית בעירה עם החמצן, ומעלה את הטמפרטורה עקב יצירת חום.
ניתן להגיע בתאי דלק מסוג זה לצפיפויות זרם גבוהות, ולצפיפויות הספק גבוהות.
אורך החיים של התא ארוך.
הבעיה היא עלות הקטליזטור, וטיפול במים הנוצרים.
הקטליזטור הנדרש לתאי דלק מסוג זה הוא קטליזטור יקר מפלטינה. קטליזטור זה עלול להינזק מנוכחות פחמן חד-חמצני (CO), ולכן הדלק עבור תא דלק מסוג זה חייב להיות טהור.
ביולי 2001 פורסם על פיתוח במכון הטכנולוגי של קליפורניה (CalTech) בו האלקטרוליט בתא דלק מסוג זה הוא במצב מוצק, כאשר משתמשים בחומצה מוצקה, שהיא מצב ביניים בין חומצה למלח. מחליפים רק חלק מהמימנים בחומצה, ואז החומר פועל כתורם פרוטונים. דוגמא לחומר אותו חוקרים היא:
CsHSO4
