Bei der „Proton Exchange Membrane“ bzw.“Polymer Electrolyte Membrane“ (PEM) Elektrolyse wird ein Festpolymer-Elektrolyt als Membran verwendet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung, spaltet sich das Wasser auf. Daraufhin entstehen Sauerstoff, positiv geladene H+-Ionen (= Protonen) und freie Elektronen. Die H+-Ionen diffundieren durch die Membran zur Kathode und reagieren mit den Elektronen zu Wasserstoff.