PEM膜电极组件是PEM电解槽的核心部件，指的是在质子交换膜膜两侧嵌入活性电极(催化物质)，使二者成为一个整体，水的电化学反应在膜电极中进行，膜电极起到隔膜和电极的作用。去离子水被提供到膜电极组件上，在阳极侧反应析出氧气、氢离子和电子。电子通过外电路传递到阴极，氢离子以水合的形式(H⁺∙xH₂O)通过膜到阴极。在阴极，氢离子和电子重新结合形成氢气，同时，部分水也带到了阴极。