分別為：
陽極（負極）：
陰極（正極）：
由於質子交換膜只能傳導質子，因此氫離子（即質子）可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每壹單電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決於輸出電流密度，通常在0.5～1V 之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。 質子交換膜燃料電池具有如下優點：其發電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環的限制，能量轉換率高；發電時不產生汙染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是壹種清潔、高效的綠色環保電源。
通常，質子交換膜燃料電池的運行需要壹系列輔助設備與之***同構成發電系統。質子交換膜燃料電池發電系統由電堆、氫氧供應系統、水熱管理系統、電能變換系統和控制系統等構成。電堆是發電系統的核心。發電系統運行時，反應氣體氫氣和氧氣分別通過調壓閥、加濕器(加濕、升溫)後進入電堆，發生反應產生直流電，經穩壓、變換後供給負載。電堆工作時，氫氣和氧氣反應產生的水由陰極過量的氧氣(空氣)流帶出。未反應的(過量的)氫氣和氧氣流出電堆後，經汽水分離器除水，可經過循環泵重新進入電堆循環使用，在開放空間也可以直接排放到空氣中。 為了確保質子交換膜燃料電池電堆的正常工作，通常將電堆、氫氣和氧氣處理系統、水熱管理系統及相應的控制系統進行機電壹體化集成，構成質子交換膜燃料電池發電機。根據不同負載和環境條件，配置氫氣和氧氣存儲系統、余熱處理系統和電力變換系統，並進行機電壹體化集成就可構成質子交換膜燃料電池發電站。
通常，質子交換膜燃料電池發電站由質子交換膜燃料電池發電機和氫氣生產與儲存裝置、空氣供應保障系統、氫氣安全監控與排放裝置、冷卻水罐和余熱處理系統、電氣系統及電站自動控制系統構成。
氫氣存儲裝置為發電機提供氫氣，其儲量按負荷所需發電量確定。氫氣存儲方式有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫，相應的儲氫材料也有多種，主要按電站所處環境條件及技術經濟指標來決定。氫氣存儲是建設質子交換膜燃料電池發電站的關鍵問題之壹，儲氫方式、儲氫材料選擇關系整個電站的安全性和經濟性。空氣供應保障系統對地面開放空間的質子交換膜燃料電池應用(如燃料電池電動車)不成問題，但對地下工程或封閉空間的應用來說卻是壹個十分重要的問題，如何設置進氣通道必須進行嚴格的論證。氫氣安全監控與排放裝置是氫能發電站的壹個特有問題，由於氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲存裝置、輸送管道、閥門管件、質子交換膜燃料電池電堆以及電堆運行的定時排空都可能引起氫氣泄漏，為防止電站空間集聚氫氣的濃度超過爆炸極限，必須實時檢測、報警並進行排放消除處理。氫氣安全監控與排放消除裝置由氫氣敏感傳感器、監控報警器及排放風機、管道和消氫器等組成，傳感器必須安裝在電站空間的最高處。冷卻水箱或余熱處理系統是吸收或處理質子交換膜燃料電池發電機運行產生的熱量，保障電站環境不超溫。將質子交換膜燃料電池發電站的余熱進行再利用，如用於工程除濕、空調、采暖或洗消等，實現電熱聯產聯供，可大大提高燃料利用效率，具有極好的發展與應用前景。電氣系統根據工程整體供電方式和結構對質子交換膜燃料電池發電機發出電力進行處理後與電網並聯運行或/和直接向負載供電，涉及潮流、開關設備、表盤和繼電保護等。采用質子交換膜燃料電池發電站可以實現工程應急電網的多電源分布式供電方式，因此其電氣及變配電系統是壹個值得深入研究的問題。電站自動化系統是為保障質子交換膜燃料電池發電站正常工作、可靠運行而設置的基於計算機參數檢測與協調控制的自動裝置，壹般應采用分布式控制系統(DCS)或現場總線控制系統(FCS)。主要設備包括現場智能儀表或傳感器、變送器，通訊總線和控制器，並提供向工程控制中心聯網通訊的接口。主要功能包括參數檢測、顯示、報警，歷史數據存儲，故障診斷，事故追憶，操作指導，控制保護輸出和數據信息管理等，是質子交換膜燃料電池 電站信息化、智能化的核心。 迄今最常用的質子交換膜（PEM）仍然是美國杜邦公司的Nafion質子交換膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點，PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，國內裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。但Nafion質子交換類膜仍存在下述缺點：(1)制作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；(2)對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。
Nafion膜的價格在600美元每平方米左右，相當於120美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。在燃料電池系統中，膜的成本幾乎占總成本的20%~30%。為盡早實現燃料電池的商業化應用，降低質子交換膜的價格迫在眉睫。加拿大的巴拉德公司在質子交換膜領域做了後來居上的工作，使人們看到了交換膜商業化的希望。據研究計劃報道，其第三代質子交換膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型質子交換膜，演示壽命已經超過4500h，其價格已經降到50美元每立方米，這相當於10美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。
全球最大質子交換膜燃料電池示範電站在華南理工建成作為電動汽車的壹種，燃料電池汽車被認為是人類解決汽車汙染問題以及汽車對石油依賴的最佳和最終方案。這是由於燃料電池的化學反應過程不會產生有害物質，僅排放少量水蒸氣，同時其能量轉換效率比內燃機高2~3倍。裝有這種電池的汽車只需像加油壹樣加註氫氣，便可繼續行駛。
除應用於汽車，燃料電池在交通、軍事、通訊等領域均具有廣闊的應用前景。發達國家均投入巨大的人力物力從事這壹技術的研發，國內從事燃料電池的研究單位也多達30多家。
這其中就包括華南理工大學。 為什麽要建設壹座全球最大的示範電站？廖世軍告訴記者：“示範展示是壹項新技術走向商業化的必經壹步。燃料電池技術的逐級放大，涉及諸多難題，只有達到壹定容量的示範，才能使技術成熟並最終走向商業化；建設示範電站既是為了向公眾展示質子交換膜燃料電池這項新的能源技術，也是為了測試這種技術的可行性、發現這項技術存在哪些問題以及如何改進。電站越大，建設難度就越高，出現的問題也就越多、越明顯。”
示範電站可以實現24小時運轉，產生的電流直接輸送到學校的380V低壓電網上，滿負荷運行時可滿足電站附近的豪華準五星級酒店——華工國際學術中心正常運營。“示範電站副產熱水為50攝氏度左右，非常適合作為生活用的熱水。在熱和電都得到充分利用的情況下，燃料電池電站的能源利用率將達到90%。”廖世軍介紹。
在示範電站，天然氣首先轉化成氫氣，氫氣進入燃料電池發電機組產生電流和熱水。
據介紹，由華南理工大學設計開發的制氫工藝，天然氣制氫效率接近2.0，即1立方米天然氣可生成將近2立方米的氫氣，比國內壹些同類制氫設施的效率高20%~30%。產生的電量比直接燃燒天然氣發電至少高30%，汙染物的排放則同比減少60%。燃料電池發電高效率和低排放的優點展露無遺。 燃料電池技術研發數十年，壹直未能大範圍推廣，除存在穩定性、耐久性等問題，追根究底，高昂成本也是商業化的瓶頸。
廖世軍告訴記者，國外質子交換膜燃料電池的價格高達每千瓦7萬元人民幣左右，給壹輛小汽車安裝壹臺50千瓦的電池系統，光電池就要350萬元。因此，在技術攻關的同時，如何有效降低燃料電池成本也壹直是課題組的重要研究內容。
由於各項新技術的使用，華南理工大學研發的燃料電池成本已降至每千瓦6000~7000元人民幣，僅是國際市場價格的1/10。
“與傳統發電技術相比，這個成本還是偏高的，但和其他新能源如太陽能等相比，卻便宜了不少。”廖世軍算了壹筆賬，按每千瓦6000元人民幣計算，燃料電池汽車的成本仍然不便宜，然而對比壹下，氫氣卻比汽油便宜得多！
為促進燃料電池的開發利用，我國已經出臺補貼政策，買壹輛燃料電池汽車，直接補貼人民幣30萬元。另外，燃料電池規模化生產後，成本還有很大的下降空間。同時，許多國家政府均表示，壹旦燃料電池大範圍商業化推廣，各地加氫站的建設將不是問題，燃料電池走進平民百姓家指日可待。
幾年來，除了順利完成電站的建設之外，華南理工大學在質子交換膜燃料電池的核心技術攻關方面也取得了壹系列重要成果，包括高分散高活性催化劑制備技術、光照下直接塗膜制備膜電極技術、低鉑催化劑制備技術、超低鉑載量膜電極制備技術等。課題組***申請燃料電池核心技術專利8項，獲授權4項，申請國際發明專利1項。
談到下壹步的打算，廖世軍表示：“我們將利用廣州現代產業技術研究院這壹平臺開展燃料電池的產業化工作，致力於開發系列燃料電池備用電源、基站通訊電源、家用熱電聯供系統等系列產品。我們希望進壹步降低燃料電池的成本，促進燃料電池技術在廣東省的發展和商業化進程。”