Kütuseelement toodab energiat keemilise reaktsiooniga, kus osalevad hapnik, vesinikioonid ja elektronid. Anoodil tekkinud vesinikioonid suunatakse läbi membraani katoodile. Membraane tehakse enamasti Nafioni-nimelisest polümeerist, millel on teflonist „karkass“, kuhu kinnituvad negatiivse laenguga vääveltrioksiidi rühmad. Anoodil tekkinud elektronid ei suuda membraani läbida ning suunatakse seetõttu katoodile läbi välise vooluringi.