PEM，Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane, 质子交换膜，又称为聚合物电解质薄膜。从名称上就可以看出，它大的功能就是传递质子，另外，也需要隔离燃料与氧化剂，防止渗透引起的直接化学反应。
全氟磺酸膜的结构大同小异，疏水的碳氟主链，亲水的磺酸基侧链。目前比较认可的一种膜工作原理是，膜内亲水相与疏水相的微相分离结构，引起亲水团簇的聚集，从而形成质子传输通道。显而易见，加湿环境，会直接影响膜的吸水率，从而直接影响质子传输通道的有效性。
质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。用作PEM的材料必须具备良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当等特点。质子交换膜按膜的结构分为无机酸掺杂膜、复合膜、磺化聚合物膜三类。其中，磺化聚合物膜包括全氟磺酸质子交换膜（目前应用为广泛）、部分氟化质子交换膜、非氟质子交换膜三种。全氟磺酸质子交换膜常规的用的多的是美国杜邦公司的Nafion系列膜。气体扩散层是质子交换膜的重要组成部分，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道，具有支撑催化剂层、传输气体和水、传导电子、热的传输和分配、耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的作用。
