質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；簡稱PEFC)又可稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子電解質燃料電池。
質子交換膜燃料電池由傳導質子(H+)的高分子膜電解質，陰極和陽極材料皆以鉑為主要觸媒所組成，以氫或淨化重整器為反應燃料，空氣或純氧為氧化劑，陽極反應氫氣在觸媒催化下而降低活化能，使其解離成氫離子與電子，陰極反應氧分子、電子以及氫離子在觸媒催化下發生還原反應產生水。質子交換膜燃料電池全反應之下最終產物除了水和電外，也會產生熱。電池工作溫定須保持在80度以下，除必須進行冷卻作業外，也因工作溫度較低，餘熱價值不高。同時也因觸媒鉑價格較為昂貴，若減少用量恐提升電池工作溫度，同時鉑容易與一氧化碳反應而造成中毒情事，不適用於大型發電廠，目前僅作為汽機車動力使用。
質子交換膜燃料電池產品優點包含電池液體僅有水，大幅降低腐蝕問題，電池壽命較長；工作溫度低，啟動時間較其他燃料電池短，僅數分鐘即可達滿載負荷，同時安全顧慮也隨之降低。
下圖為質子交換膜燃料電池示意圖:
