质子交换膜燃料电池（英语：Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称：PEMFC），又称固体高分子电解质燃料电池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells），是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池，运作温度在 50℃ 至 100℃，无需加压或减压，以高分子质子交换膜为传导媒介，没有任何化学液体，发电后产生纯水和热。燃料电池中，质子交换膜燃料电池相对低温与常压的特性，加上对人体无化学危险、对环境无害，适合应用在日常生活，所以被发展应用在运输动力型（Transport）、定置型（Stationary）与便携式（Portable）等机组。质子交换膜燃料电池每一个电池组，一般是由十一层结构所组成：质子交换膜燃料电池的原理是：首先氢分子经由阳极端流场板的气体导流槽进入电池组，经扩散层到阳极触媒反应层，经阳极触媒作用氧化为氢离子（也就是质子），与释出电子，这化学反应过程称为阳极半反应：然后氢离子受电渗透力驱策，伴随数个水分子，经由交换膜输送至另一端的阴极触媒反应层。接着游离的电子经导电板收集，因电位差的原故，通过连接在导电板上的电路，流向阴极的导电板，变成电流产生电力，电子最后会由阴极导电板送到阴极触媒反应层。最后氢离子、电子、加上由阴极流场板输送来空气中的氧气，汇集在阴极触媒反应层，经阴极触媒催化而产生水，这化学反应过程称为阴极半反应：总体电化反应是将化学能自由能差 ( Δ G ) {displaystyle {rm {left(Delta Gright)}}} 转变为电动势 ( Δ E ) {displaystyle {rm {left(Delta Eright)}}} ：而：氢的反应热 Δ H {displaystyle {rm {Delta H;}}} 为 286 k J m o l − 1 {displaystyle {rm {286;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}}}}}}}} ，熵变 Δ S {displaystyle {rm {Delta S;}}} 为 163 J m o l − 1 K − 1 {displaystyle {rm {163;J,{mol}^{-1},{K}^{-1}}}} 。假设温度 T {displaystyle {rm {T;}}} 为 57 ∘ C {displaystyle {rm {57^{circ }C}}} 即 330 K {displaystyle {rm {330;K}}} 时，能量损耗为：故转换率：也就是在温度为 57 ∘ C {displaystyle {rm {57^{circ }C}}} 时，有 81.2 % {displaystyle {rm {81.2%;}}} 的反应热可以转换成电能，由此推算， T {displaystyle {rm {T;}}} 为 100 ∘ C {displaystyle {rm {100^{circ }C}}} 时，仍有 78.7 % {displaystyle {rm {78.7%;}}} 的转换率，是相当有效能的电转化换。1960年代中期，美国通用电气的威勒汤玛士葛洛伯（英语：Willard Thomas Grubb）和李尼崔奇（英语：Lee Niedrach），参与了美国海军船务署与美国陆军通讯兵团的一项专案，要求发展一种小型燃料电池，便发明了以质子交换膜为电解质的燃料电池。第一个成品，是使用氢化锂放入水来产生氢，并制作成抛弃式的燃料匣，方便携带又容易置换，但由于电极板是贵重金属铂（白金），生产成本非常高昂。奇异的质子交换膜燃料电池“PB2”，被选定参与美国太空总署的双子星座计划，该计划的主要目的为在太空中测试各种设备与状况，以供后来以登月为目标的阿波罗计划参考设计，但刚开始时时PB2遇到了电池组污染与氧从交换膜渗漏等问题，双子星1号到4号都没有采用。通用电气重新设计电池，采用了杜邦公司的“纳飞安（英语：Nafion）”离子聚合膜为交换膜（英语：Proton-exchange membrane），代替之前的磺化聚苯乙烯膜，新电池名为“P3”，从双子星5号开始被采用至最后的双子星10号。惟于后来的阿波罗计划与航天飞机改为采用碱性燃料电池。通用电气持续不断研发新的质子交换膜电池，在1970年代中期，发展出一种水电解技术，可以支援水中生活，应用在美国海军的氧气生产工厂，英国皇家海军于1980年代初采用此项技术于其潜水艇舰队。1980年代后期至1990年代，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室与德州A&M大学，致力于实验如何减少质子交换膜电池对铂的使用量。近来因奈米科技发展，已能将只有数奈米的铂镀在炭黑或碳粉上，不仅大幅降低铂的使用量，并且使能量密度得以大幅提升。