该质子交换膜是夹在两电极之间，催化剂嵌入在他们之间。电极相对质子交换膜是绝缘的。 这两个电极分为阳极和阴极。

该质子交换膜是质子渗透膜，它是绝缘的。通过这个绝缘膜运输质子从阳极向阴极，电子则从导电的路径运输到阴极。如杜邦公司(Dupont)，Dow and E-TEK 都在生产质子交换膜PEMs。 杜邦公司的PEM商标名称 "Nafion" 。 该公司使用的Nafion质子交换膜有Nafion 112 ， 115 ， 117 ， 105 。

电极是热压在PEM上的 。常用的电极材料，包括碳纤维、东丽(Toray)碳纤维纸。E-TEK生产的碳纤维称为ELAT，它能最大化把气体运输到PEM，而把水脱离PEM。elat中嵌入贵金属催化剂，可以作为电极。铂是一种最常用的催化剂，但是其他铂族金属也常常使用。钌和铂往往一起使用，如果CO作为电化学反应的产物，它会破坏质子交换膜和影响燃料电池的效率。由于稀土金属成本高昂，以开发低成本的催化剂材料成为热门研究。正是由于这些高成本因素，成为了推广燃料电池的障碍。

在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。