膜电极组件（MEA，Membrane Electrode Assembly）又称膜电极，是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元 — 燃料电池单电池。膜电极由质子交换膜和在其两侧的催化剂层组成。

氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极，通过电极上的扩散层到达阳极催化层，吸附在阳极催化剂层，氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子，即质子H＋，并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程，

阳极上发生的反应为：

H2＝2H＋＋2e

在电池的另一端，氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极，通过电极上的扩散层到达阴极催化层，吸附在阴极催化层，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水，这一过程称为氧的阴极还原过程，

阴极上发生的反应为：

1／2O2＋2H＋＋2e ＝ H2O

总的化学反应式为：

H2＋1／2O2＝H2O

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能，生成的水通过电极随反应尾气排出。

高性能的膜电极具有以下特点：

（1）能够最大限度减小气体的传输阻力，使得反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应。

（2）形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。

（3）形成良好的电子通道。

（4）气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性。

（5）膜具有高的质子传导性。

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。

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。