質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層、擴(kuò)散層、集流板（又稱雙極板）組成。聚合物電解質(zhì)膜被碳基催化劑所覆蓋，催化劑直接與擴(kuò)散層和電解質(zhì)兩者接觸以求達(dá)到最大的相互作用面。催化劑構(gòu)成電極，在其之上直接為擴(kuò)散層。電解質(zhì)、催化劑層和氣體擴(kuò)散層的組合被稱為膜片-電極組件。

質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，是一種厚度僅為50～180um的薄膜片，其微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。它為質(zhì)子傳遞提供通道，同時作為隔膜將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它與一般化學(xué)電源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一種隔離陰陽極反應(yīng)氣體的隔膜材料，還是電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)（電催化劑）的基底，即兼有隔膜和電解質(zhì)的作用；另外，PEM還是一種選擇透過性膜，在一定的溫度和濕度條件下具有可選擇的透過性，在質(zhì)子交換膜的高分子結(jié)構(gòu)中，含有多種離子基團(tuán)，它只容許氫離子（氫質(zhì)子）透過，而不容許氫分子及其他離子透過。

質(zhì)子交換膜燃料電池對于質(zhì)子交換膜的要求非常高，質(zhì)子交換膜必須具有良好的質(zhì)子電導(dǎo)率、良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、較低的氣體滲透率，還要有適度的含水率，對電池工作過程中的氧化、還原和水解具有穩(wěn)定性，并同時具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合的性能。

質(zhì)子交換膜的物理、化學(xué)性質(zhì)對燃料電池的性能具有極大的影響，對性能造成影響的質(zhì)子交換膜的物理性質(zhì)主要有：膜的厚度和單位面積質(zhì)量、膜的抗拉強(qiáng)度、膜的含水率和膜的溶脹度。質(zhì)子交換膜的電化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)在膜的導(dǎo)電性能（電阻率、面電阻，電導(dǎo)率）和選擇通過性能（透過性參數(shù)P）上。