質子交換膜的基本結構和發電原理如下所示：
質子交換膜燃料電池反應原理
單電池主要由膜電極（陽極、陰極、質子交換膜）和集流板組成：
具有一定溼度和壓力的氫氣和氧氣分別進入陽極和陰極，經擴散層到達催化層和質子交換膜的介面，分別在催化劑的作用下發生氧化和還原反應。
在陽極，氫氣發生電化學反應生成氫離子和電子，其中氫離子透過質子交換膜傳導到陰極（質子交換膜的特有屬性使其只允許氫離子透過），電子透過外電路到達陰極，在陰極氫離子、電子和氧氣反應生成水。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨多餘的氧氣從陰極出口排出。
燃料電池結構
1.質子交換膜
質子交換膜是燃料電池的核心部件，簡化來說，就是一種厚度在50~180μm的薄膜，是催化劑的基底。質子交換膜的重要特徵就是隻允許氫離子透過，不容許氫氣及電子透過。對質子交換膜的效能要求如下：
良好的離子導電性
適度的含水率
高穩定性
高機械強度和結構強度
在研發質子交換膜的過程中，主要綜合考慮以下方面：
1）厚度及單位面積質量
質子交換膜的厚度和單位質量與其電阻大小直接相關，減小厚度和單位質量，能夠有效降低電阻值，減少歐姆損耗，提高燃料電池的輸出電壓和能量密度。
但如果質子交換膜的厚度過低，會影響其抗拉強度。
2）抗拉強度
抗拉強度與質子交換膜的厚度成正比關係，同時也與內部的工作環境有關。因此，在設計質子交換膜時，要綜合考慮其電阻值與抗拉強度，進行反覆的最佳化設計，找到最合適最匹配的厚度值。
3）含水率
單位幹膜質量的含水量稱為質子交換膜的含水率。含水率對質子傳導能力有較大影響，同時也會影響氧氣在質子交換膜中溶解擴散。
含水率越高，質子擴散銀子和滲透率也大，質子交換膜的電阻也隨之下降，但會降低其強度。
4）溶脹度
溶脹度是指交換膜在給定的溶液中浸泡後，交換膜的面積或體積變化的百分比。
溶脹度反應了交換膜的形變特性。溶脹度高，在水合和脫水時會由於膜的溶脹而造成電極的變形和質子交換膜區域性應力的增大，導致燃料電池效能下降。
在設計質子交換膜時，要綜合考慮其厚度、阻值、抗拉強度、含水率以及溶脹度等，這些因素相互影響，此消彼長，要經過不斷地最佳化迭代找到綜合的“妥協點”。
2.催化劑
催化劑包括陽極催化劑和陰極催化劑。
其中，陰極催化劑要求有足夠的催化活性和穩定性，而對於陽極催化劑來說除了以上要求之外，還應具有抗CO 中毒的能力，尤其是使用烴類燃料重整的質子交換膜燃料電池系統，陽極催化劑應尤其注意。
催化劑的微觀結構
目前，燃料電池的催化劑主要使用貴金屬Pt，它能夠使得陽極和陰極反應都具有催化活性，並由很強的可靠性和穩定性。但難點在於Pt的高成本，限制了大規模應用。
為了降低燃料電池的成本，推進商業化程序，催化劑的研究也是行業內的重點攻關課題，主體集中在以下兩點：
1）減少單位面積Pt的用量，提升Pt的利用率
2）尋找成本較低的非貴金屬催化劑
3.膜電極（MEA）
質子交換膜與兩側的催化層、擴散層組成了燃料電池的膜電極，也就是我們常說的MEA，是燃料電池的最核心部件。
膜電極圖示
4.雙極板
雙極板前面我們有單獨提過，這裡就不贅述了，詳見
燃料電池雙極板技術詳解
。
雙極板圖示
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