質子交換膜燃料電池的基本結構主要由質子交換膜、催化劑層、擴散層、集流板（又稱雙極板）組成。聚合物電解質膜被碳基催化劑所覆蓋，催化劑直接與擴散層和電解質兩者接觸以求達到最大的相互作用面。催化劑構成電極，在其之上直接為擴散層。電解質、催化劑層和氣體擴散層的組合被稱為膜片-電極組件。

質子交換膜質子交換膜（PEM）是質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，其微觀結構非常復雜。它為質子傳遞提供通道，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氣體的隔膜材料，還是電解質和電極活性物質（電催化劑）的基底，即兼有隔膜和電解質的作用；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，在質子交換膜的高分子結構中，含有多種離子基團，它只容許氫離子（氫質子）透過，而不容許氫分子及其他離子透過。

質子交換膜燃料電池對于質子交換膜的要求非常高，質子交換膜必須具有良好的質子電導率、良好的熱和化學穩定性、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、還原和水解具有穩定性，并同時具有足夠高的機械強度和結構強度，以及膜表面適合與催化劑結合的性能。

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