La construction des premiers prototypes de sous-marins se heurte aux difficultés pour régénérer l'atmosphère à l'intérieur du submersible.

Prosper Antoine Payerne résoud ce problème en parvenant à épurer l'air contenu dans des "cloches à plongeurs". En 1844, il consacre une partie de sa fortune personnelle à financer la mise en chantier du premier véritable sous-marin jamais construit dans le monde.
Sa forme se rapproche de celle d'un oeuf. II mesure 9 mètres de long, 2 mètres 80 de large et pèse près de 10 tonnes.

En 1850, le docteur Payerne est appelé à Cherbourg par Minard, chef des travaux maritimes, afin de débrayer l'avant-port militaire de façon à permettre la circulation en toute sécurité des navires de fort tonnage. Il décide de s'installer à Cherbourg.

En 1852, il publie un traité relatif aux procédés de constructions de travaux hydrauliques dans lequel il décrit sa conception d'un tunnel de chemin de fer sous la Manche, long de 33 kilomètres, entre Calais et Douvres.

Outre l’invention d’un système d'autosuffisance respiratoire destiné aux travailleurs sous-marins, ce savant a réalisé d’importants travaux d’approfondissement du port de Cherbourg, grâce à son étonnant submersible, "Le Belledonne".

Il a également été un médecin très actif lors des épidémies de choléra qui décimèrent la population locale entre 1865 et 1866.

Victime d'un accident, Prosper Antoine Payerne trouve la mort à Cherbourg, le 11 avril 1886, dans une indifférence presque générale.

Une plaque commémorative est apposée au 4 bis rue de la Bucaille, qui fut sa dernière résidence.