A transição para uma economia baseada em energia limpa tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de conversão energética eficientes e sustentáveis. Este estudo investiga o desempenho de células a combustível de membrana de troca protônica (PEM) alimentadas por hidrogênio verde, abordando aspectos fundamentais de caracterização eletroquímica, modelagem matemática e análise comparativa com dados da literatura. Foram obtidas curvas de polarização experimentais para uma célula PEM unitária de 25 cm² com membrana Nafion 117, operando sob diferentes condições de temperatura (50-80°C), pressão (1-3 bar) e umidade relativa (30-100%). Os resultados demonstraram comportamento característico em três regiões distintas: ativação, ôhmica e concentração, com densidade de potência máxima compatível com sistemas de pequena escala reportados na literatura. Um modelo matemático semi-empírico foi desenvolvido e validado, apresentando coeficiente de determinação superior a 0,95. A eficiência energética máxima observada situou-se entre 50-60%, consistente com estudos de referência. Os achados reforçam o potencial das células PEM alimentadas por hidrogênio verde para aplicações em geração distribuída e mobilidade elétrica, contribuindo para a viabilização técnica da economia do hidrogênio.