質子交換膜或聚合物電解質膜(PEM)是一種半透膜，通常由離聚物制成并設計用于傳導質子，同時充當電子絕緣體和反應物屏障，例如氧氣和氫氣。這是它們在結合到質子交換膜燃料電池或質子交換膜電解器的膜電極組件(MEA)中時的基本功能：分離反應物和傳輸質子，同時阻斷通過膜的直接電子通路。質子交換膜可以由純聚合物膜或復合膜制成，其中其他材料嵌入聚合物基質中。最常見和市售的PEM材料之一是杜邦公司的產品氟聚合物(PFSA)Nafion。雖然Nafion是一種像聚四氟乙烯一樣具有全氟骨架的離聚物，但還有許多其他結構基序可用于制造用于質子交換膜的離聚物。許多使用聚芳烴聚合物，而其他使用部分氟化聚合物。質子交換膜的主要特點是質子電導率(σ)、甲醇滲透率(P)和熱穩定性。質子交換膜燃料電池使用固體聚合物膜（薄塑料膜），當它被水飽和時質子可以透過，但它不傳導電子。

早期的質子交換膜技術是在1960年代早期由為通用電氣公司工作的化學家LeonardNiedrach和ThomasGrubb開發的。大量政府資源用于研究和開發這些用于NASA的雙子座項目太空飛行計劃的膜。許多技術問題導致NASA放棄使用質子交換膜燃料電池，轉而使用電池作為雙子座任務1-4的容量較低但更可靠的替代品。通用電氣改進的一代PEM燃料電池被用于隨后的所有雙子座任務，但被放棄用于隨后的阿波羅任務。氟化離聚物Nafion是當今使用最廣泛的質子交換膜材料，由杜邦塑料化學家WaltherGrot開發。2014年，曼徹斯特大學的AndreGeim發表了關于石墨烯和氮化硼原子厚單層的初步結果，該結果僅允許質子通過材料，使其成為氟化離聚物作為PEM材料的潛在替代品。

與固體氧化物燃料電池(SOFC)等其他類型的燃料電池相比，PEMFC具有一些優勢。PEMFC在較低溫度下運行，更輕且更緊湊，這使其成為汽車等應用的理想選擇。然而，一些缺點是：~80°C的工作溫度對于像SOFC那樣的熱電聯產來說太低了，而且PEMFC的電解質必須是水飽和的。然而，包括豐田Mirai在內的一些燃料電池汽車在沒有加濕器的情況下運行，依靠快速的水生成和通過薄膜的高速反向擴散來維持膜的水合，以及催化劑層中的離聚物.高溫PEMFC在100°C和200°C之間運行，可能會在電極動力學和熱管理方面帶來好處，并更好地耐受燃料雜質，尤其是重整油中的CO。這些改進可能會導致更高的整體系統效率。然而，這些收益尚未實現，因為金標準全氟磺酸(PFSA)膜在100°C及以上溫度下，如果水合作用降至約xxx以下會迅速失去功能，并在此溫度范圍內開始蠕變，導致局部變薄和整體較低的系統壽命。因此，積極研究新的無水質子導體，如質子有機離子塑料晶體(POIPC)和質子離子液體，以開發合適的PEM。PEMFC的燃料是氫，電荷載體是氫離子（質子）。在陽極，氫分子分裂成氫離子（質子）和電子。氫離子通過電解質滲透到陰極，而電子流過外部電路并產生電能。氧氣，通常以空氣的形式，被供應到陰極并與電子和氫離子結合產生水。電極上的反應如下：陽極反應：2H2→4H++4e?陰極反應：O2+4H++4e?→2H2O整個電池反應：2H2+O2→2H2O+熱+電能總的理論放熱電位為+1.23V。

質子交換膜的主要應用是質子交換膜燃料電池。這些燃料電池具有廣泛的商業和軍事應用，包括航空航天、汽車和能源行業。早期的質子交換膜燃料電池應用主要集中在航空航天工業。與電池相比，當時更高容量的燃料電池使其成為理想的選擇，因為NASA的雙子座計劃開始瞄準比以前嘗試的更長時間的太空任務。汽車行業以及個人和公共發電是當今質子交換膜燃料電池的xxx市場。PEM燃料電池在汽車應用中很受歡迎，因為它們的工作溫度相對較低，并且即使在低于冰點的條件下也能快速啟動。截至2019年3月，美國道路上有6,558輛燃料電池汽車，其中豐田Mirai是最受歡迎的車型。加州以43個加氫站xxx美國，加州能源委員會在2023年之前每年可以獲得2000萬美元的資金來擴大覆蓋范圍。PEM燃料電池也已成功應用于其他形式的重型機械，巴拉德動力系統公司提供基于該技術的叉車。聚合物電解質膜電解是一種利用質子交換膜將水分解成氫氣和氧氣的技術。質子交換膜允許將產生的氫氣與氧氣分離，允許根據需要開發任何一種產品。該過程已被廣泛用于為美國和皇家海軍潛艇等船只的生命支持系統生成氫燃料和氧氣。最近的一個例子是在魁北克建設一個20兆瓦的液化空氣PEM電解廠。類似的基于PEM的設備可用于臭氧的工業生產。