质子交换膜是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，可理解为电池的电解质，直接影响电池的使用寿命。
目前世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜，其力学性能和化学稳定性优异，其聚合物膜的使用寿命远远好于其他膜材料的使用寿命，但生产难度高、成本高。未来发展趋势可分为：一是与聚四氟乙烯(PTFE)的复合膜，能改善膜的机械强度和稳定性，降低膜的成本，同时较薄的膜还改善了膜中水的分布，提高了膜的质子传导性能。二是寻找新的低氟或非氟膜材料。采用无机酸与树脂的共混膜，可提高膜的电导率及工作温度。
全氟磺酸膜是目前在PEMFC中唯一得到广泛应用的质子交换膜，如美国杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列质子交换膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜。其中Nafion膜应用最广泛，Nafion膜的成本在600美元/m2，相当于120美元/kW（用于乘用车）
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目前市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大以及中国，其中戈尔的Select复合膜广泛应用于燃料电池，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜。除此以外，质子交换膜还有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化学（Dow Chemical）的Xus-B204 膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、加拿大Ballard的BAM膜和比利时Solvay的系列膜。
从本质上说，PEMFC 是电解水的一个「逆」装置。电解水过程是利用外加电源使水发生电解，从而产生氢和氧;然而，燃料电池则是氢和氧发生电化学反应产生水，同时生产出电的过程。
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所以燃料电池的结构特征与电解水装置是如出一辙的，它主要由阳极、阴极、电解质和外部电路组成。
PEMFC 中阳极为氢电极，阴极为氧电极，阴阳极都含有一定量用来加速电极上发生电化学反应的催化剂，两极之间以质子交换膜作为电解质。无尘拖链
当氢气与氧气分别通入阳极和阴极时，进入阳极的氢气在催化剂作用下离化成氢离子和电子;电子经外电路转移到阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极;阴极的氧气与氢离子及电子反应生成水分子，其中产生的水不会稀释电解质，却是随着尾气通过电极排出。
因此，PEMFC 的电化学反应为：2 H2 + O2 → 2 H2O
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