PEMFC的电极是三合一膜电极(MEA, Membrane ElectrodeAssembly)，简称膜电极。不同的PEMFC设计中，膜电极的细节虽不相同，但基本结构是相似的，阴阳极大致相同。事实上对于PEMFC来说，大部分的阴阳极是一样的。
典型膜电极的制造有两种方式，但制得的膜电极的结构基本一致。
第一种方法是首先将催化剂固定在炭纸或炭布上，再与膜连接。在这一方法中，碳载催化剂与一定量PTFE制成乳浊液，涂在导电性的多孔材料上，通常是涂在炭纸或炭布上，制成电极。PTFE的作用是利用其疏水性将电池产生的水排出。炭纸和炭布在为电极提供基本结构的同时，也将气体扩散到催化剂上，因此也被称为扩散层。在聚合物电解质膜的两侧各固定一个电极。这种电极制作的颇为标准的程序:首先电解质膜浸渍在沸腾的3%过氧化氢水溶液中清洁，然后在沸腾的硫酸中处理lh，以确保磺化基团尽可能质子化，接下来在沸腾的去离子水中漂洗lh，以去除残留的酸。然后将电极与电解质膜装好后，在高压下热压3min，即制成完整的膜电极。
第二种方法是将电极直接涂在电解质上，再与炭纸一起热压成膜电极。糊状的PdC催化剂(通常加一定量的PTFE)，用滚压、喷涂或印刷方法均匀涂在质子交换膜的两侧。催化剂固定后，要加上扩散层，通常是炭布或炭纸。这与前一个方法相同。“气体扩散层”这一词并不十分准确，因为它的作用不仅是气体扩散，它的作用还包括：连接碳载催化剂和双极板，将产物水从电解质表面排出，保护和支撑薄层催化剂。气体扩散层可以是也可以不是膜电极整体的一部分。
在第一种方法制造膜电极的过程中，经过增溶的电解质首先刷在电极表面，然后与电解质膜热压。在第二种膜电极制造过程中，则是在催化剂涂布电解质膜之后，加扩散层之前.将增溶电解质刷在催化剂表面，再与扩散层热压。