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  質子交換膜燃料電池每一個電池組,一般是由十一層結構所組成:

  質子交換膜燃料電池的原理是:首先氫分子經由陽極端流場板的氣體導流槽進入電池組,經擴散層到陽極觸媒反應層,經陽極觸媒作用氧化為氫離子(也就是質子),與釋出電子,這化學反應過程稱為陽極半反應: 然後氫離子受電滲透力驅策,伴隨數個水分子,經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒反應層。接著遊離的電子經導電板收集,因電位差的原故,通過連線在導電板上的電路,流向陰極的導電板,變成電流產生電力,電子最後會由陰極導電板送到陰極觸媒反應層。  最後氫離子、電子、加上由陰極流場板輸送來空氣中的氧氣,彙集在陰極觸媒反應層,經陰極觸媒催化而產生水,這化學反應過程稱為陰極半反應:  總體電化反應是將化學能自由能差 formula_1 轉變為電動勢 formula_2 : 而:  氫的反應熱 formula_3 為 formula_4,熵變 formula_5 為 formula_6。  假設溫度 formula_7 為 formula_8 即 formula_9 時,能量損耗為: 故轉換率:  也就是在溫度為 formula_8 時,有formula_11的反應熱可以轉換成電能,由此推算,formula_7 為 formula_13時,仍有formula_14的轉換率,是相當有效能的電轉化換。

  1960年代中期,美國奇異公司的威勒湯瑪士葛洛伯和李尼崔奇,參與了美國海軍船務署與美國陸軍通訊兵團的一項專案,要求發展一種小型燃料電池,便發明了以質子交換膜為電解質的燃料電池。  第一個成品,是使用氫化鋰放入水來產生氫,並製作成拋棄式的燃料匣,方便攜帶又容易置換,但由於電極板是貴重金屬鉑(白金),生產成本非常高昂。  奇異的質子交換膜燃料電池“PB2”,被選定參與美國太空總署的雙子星座計劃,該計劃的主要目的為在太空中測試各種裝置與狀況,以供後來以登月為目標的阿波羅計劃參考設計,但剛開始時時PB2遇到了電池組汙染與氧從交換膜滲漏等問題,雙子星1號到4號都沒有采用。  奇異公司重新設計電池,採用了杜邦公司的“納飛安”離子聚合膜為交換膜,代替之前的磺化聚苯乙烯膜,新電池名為“P3”,從雙子星5號開始被採用至最後的雙子星10號。惟於後來的阿波羅計劃與太空梭改為採用鹼性燃料電池。  奇異公司持續不斷研發新的質子交換膜電池,在1970年代中期,發展出一種水電解技術,可以支援水中生活,應用在美國海軍的氧氣生產工廠,英國皇家海軍於1980年代初採用此項技術於其潛水艇艦隊。  1980年代後期至1990年代,美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室與德州A&M大學,致力於實驗如何減少質子交換膜電池對鉑的使用量。  近來因奈米科技發展,已能將只有數奈米的鉑鍍在炭黑或碳粉上,不僅大幅降低鉑的使用量,並且使能量密度得以大幅提升。
質子交換膜燃料電池(英語:Proton Exchange Membrane Fuel Cell,簡稱:英語:PEMFC),又稱固體高分子電解質燃料電池(英語:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells),是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池,運作溫度在 50°C 至 100°C,無需加壓或減壓,以高分子質子交換膜為傳導媒介,沒有任何化學液體,發電後產生純水和熱。