質子交換膜燃料電池發電過程不涉及氫氧燃燒，能量轉換率高，發電過程無汙染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝維護方便，工作時無噪音。因此，質子交換膜燃料電池是壹種清潔高效的綠色電源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和運輸提供通道，使質子從陽極通過膜到達陰極，與外電路的電子轉移形成回路，向外界提供電流。因此，質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，其性能直接影響到電池的使用壽命。
操作原理
原則上，質子交換膜燃料電池相當於電解水的“反向”裝置。它的單電池由陽極、陰極和帶有催化劑塗層的質子交換膜組成。陽極是氫燃料被氧化的地方，陰極是氧化劑被還原的地方。兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當於壹個DC電源，陽極為負電源，陰極為正電源。其工作原理如圖和視頻所示。
氫被直接輸送到負電極，氧被直接輸送到正電極。氫以分子的形式被輸送到負電極，並在催化劑的存在下被分解成H+離子(質子)。通過外部電路傳輸的氫原子的電子(e-)產生用於工作的電。然後，這些相同的電子被送到正極，通過膜返回的H+離子在催化劑的存在下在正極與氧發生化學反應，產生水和熱。
燃料電池堆
單個燃料電池本身用處不大，因為它產生的電動勢小於1V。汽車上使用的燃料電池通常由數百個燃料電池組合成壹個燃料電池堆，如圖所示。在這種布置中，燃料電池串聯連接，並且這種電池堆的總電壓是每個單個電池的電壓之和。電池組中的燃料電池首尾相連，汽車中的燃料電池組包含大約400個電池。
燃料電池堆的總電壓由組成電池堆的電池數量決定。然而，電池組的發電能力由電極的表面積決定。因為燃料電池堆的輸出功率與電壓和電流有關，所以增加電池數量或增加電池表面積都可以提高輸出功率。壹些燃料電池車輛根據車輛所需的輸出功率和空間限制使用多個電池組。
甲醇燃料電池
當氫用作燃料電池的燃料時，儲存氫所需的高壓氣瓶的成本和安全性都不理想。因此，另壹種改進的PEM燃料電池方法是用液體甲醇代替氫氣，如圖所示。
制造甲醇最常見的方法是用天然氣合成甲醇，甲醇的化學式是CH3OH。它比氣態氫具有更高的能量密度，因為它在室溫下以液態形式存在，不需要使用壓縮機或其他高壓設備。用液體燃料代替高壓氣體給燃油車加燃料會更簡單，幾乎類似於給燃油車加汽油，如圖。
但是，甲醇本身具有腐蝕性，不能儲存在現有的燃料箱中，因此需要壹種特殊的裝置來單獨處理和儲存甲醇。此外，在甲醇燃料電池中，甲醇通過膜裝置會降低電池的工作性能。直接甲醇燃料電池的結構中還需要大量的催化劑，導致其成本增加。