膜电极（MEA）主要由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成。

1、质子交换膜

质子交换膜在燃料电池中的主要作用是实现质子的快速传导，同时也阻隔氢气和氧气、氮气在阴阳极之间的渗透。质子交换膜的性能好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。理想的质子交换膜需要具备高质子传导率，低电子导电率，气体渗透性低，化学、电化学、热稳定性好等特点。

质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟聚合物质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜和非氟化聚合物质子交换膜。

其中，由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，力学性能、化学稳定性、热稳定性好，使用寿命也优于其它膜材料的使用寿命。同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性，全氟磺酸膜成为目前主流质子交换膜方案。

2、催化剂

催化层是膜电极的重要组成部分，阳极使用催化剂促进氢气的氧化反应，涉及氧化反应、气体扩散、电子运动、质子运动、水的迁移等多种过程。阴极使用催化剂促进氧气的还原反应，涉及氧的还原、氧气扩散、电子运动、质子运动、反应生成 的水排出等。

良好的催化剂应该具有良好的催化活性、高质子传导率、高电子传导率和良好的水管理能力、气体扩散能力。

3、气体扩散层(GDL)

两片多孔气体扩散层（GDL）将膜电极组合体夹在中间，主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。

理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水/憎水平衡、高化学稳定性、高热稳定性以及低成本等特点。

气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成。