پیل‌های سوختی غشاء پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامه Gemini ناسا استفاده شد. این نوع پیل‌سوختی از نقطه‌ نظر طراحی و کارکرد یکی از جذابترین انواع پیل‌سوختی است. پیل‌سوختی پلیمری دارای الکترولیت پلیمری به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت ، از آب اشباع باشد. نفیون یکی از بهترین الکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل‌سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین 80 درجه سانتیگراد( تقریباً 175 درجه فارنهایت) کار می کند. سایر الکترولیت های جامد در دمای بالا نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در پیل‌سوختی پلیمری واکنش احیاء اکسیژن واکنش کندتر است (این واکنش سه مرتبه کندتر از واکنش اکسید شدن هیدروژن است). کاتالیست مورد استفاده در این پیل‌سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزان کاتالیست مصرفی در الکترودهای این نوع پیل‌سوختی بیشتر از سایر انواع پیل‌سوختی است.

بازده‌ الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حدود %50-40 درصد است. سوخت مصرفی در پیل‌سوختی پلیمری نیازمند هیدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پیل‌سوختی جهت تبدیل سوخت‌های متانول و یا بنزین به هیدروژن نیاز است.

میزان دانسیته توانی این نوع پیل‌سوختی بیشتر از انواع دیگر پیل‌سوختی است. محدوده دانسیته توانی در این نوع پیل‌سوختی بین( 600-350) است. طول عمر پیش‌بینی شده برای پیل‌سوختی‌پلیمری بیش از 40000 ساعت است. در این پیل‌سوختی CO سبب سمی‌شدن کاتالیست می‌شود.

واحدهای 50 کیلوواتی اکنون در حال فعالیت و تولید نیرو هستند و واحدهایی تا توان 250 کیلووات نیز در دست توسعه هستند.

در پیل‌سوختی پلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژن می‌باشد. ملکول هیدروژن در آند به یونهای پروتون و الکترون یونیزه شده، الکترون‌های آنها جدا می‌شود. یون‌های هیدروژن که شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء خلل دار نفوذ می‌کنند و به سمت کاتد می‌روند. الکترون‌های جدا شده نمی‌توانند از این غشاء عبور کنند بلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتد الکترون‌ها، پروتون‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیل می باشند:

واکنش آند

2H2 => 4H+ + 4e-

واکنش کاتد

O2 + 4H+ + 4e- => 2 H2O

واکنش کلی پیل

2H2 + O2 => 2 H2O

به دلیل جامد بودن الکترولیت این پیل‌سوختی و همینطور انعطاف پذیر بودن آن امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است .

در مقایسه با انواع دیگر پیل‌سوختی ، برای یک حجم و وزن معلوم پیل‌سوختی پلیمری توان بیشتری تولید می‌کند. این نوع پیل‌سوختی به دلیل دمای پائین به زمان کمی برای راه‌اندازی نیاز دارند و همین خصوصیت آن‌ها را بهترین گزینه در کاربردهای وسایل نقلیه بعنوان جایگزین برای موتور احتراق داخلی دیزلی و بنزینی معرفی می‌نماید. همچنین این سیستم ها کاربری مناسبی در زمینه مولدهای خانگی، نیروگاهی کوچک، صنعت حمل ونقل و نظامی دارند.