質子交換膜(ProtonExchangeMembraneFuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM與一般化學電源中使用的隔膜有區別。質子交換膜燃料電池已成為汽油內燃機動力最具競爭力的潔淨取代動力源。用作PEM的材料應該滿足以下條件：良好的質子電導率、水分子在膜中的電滲透作用小、氣體在膜中的滲透性儘可能小、電化學穩定性好、乾濕轉換性能好、具有一定的機械強度、可加工性好、價格適當。
質子交換膜示意圖現階段分為：全氟磺酸型質子交換膜；nafion重鑄膜；非氟聚合物質子交換膜；新型複合質子交換膜等等。
目前在氫燃料電池中使用的質子交換膜均採用全氟化聚合物材料合成，該材料穩定性好、使用壽命長，但製造成本過高，售價昂貴。因此，為了獲得穩定而廉價的燃料電池，質子交換膜是一個突破點。目前，科學家有兩種方法：一是減少質子交換膜的用量，朝薄型電解質發展；二是研製新型價廉的質子交換膜。
另外，氫燃料電池的基本問題之一是，這些燃料電池喜歡在高溫低濕的環境下工作。然而，在這樣的環境下，很少有物質能夠有效地傳導質子。
美國麻薩諸塞大學安默斯特校區的桑卡·恩賽耶曼阿瓦是國家科學基金會下屬的“化學創新為未來加油”研究中心的負責人，他同該校的聚合體科學家賴安·海沃德、物理學家馬克·圖沃明恩合作，提出了一種新的質子交換膜設計理念，能夠滿足這種需要，其研究成果發表在最新一期的《自然·化學》雜誌上。
恩賽耶曼阿瓦團隊已經證明，一個擁有納米大小的通道的物質能夠有效地運輸電荷，這些通道正如完美的導管，可以將質子從質子交換膜的一邊移送到另一邊，這一點對提高燃料電池的效率非常關鍵。他們的發現將有助於研究人員設計出高效穩定、耐用且對溫度要求不高、價格低廉的質子交換膜。
恩賽耶曼阿瓦表示，這是一個“相當令人興奮的進步”。他們主要將質子交換膜內的導電和非導電區域通過一個聚合物納米結構連線在一起，來獲得很好的效果。他進一步解釋說，有人可能認為，使用兩個電極之間100%的導電區域能夠最好地實現質子導電，但情況並非如此，我們認為，通過將導電和非導電的兩個相反的區域連線在一起，可以更好地改進質子交換膜導電性能。
該解決方案的靈感來自於自然。恩賽耶曼阿瓦他們發現，人體內某些天然的蛋白質在不需要水的情況下，能夠高速地在幾納米的範圍內運送質子群。因此，他們假設，或許某些形狀或者某些將導電和非導電的納米結構組合在一起形成的嵌段共聚物能夠更好地傳導質子。
恩賽耶曼阿瓦表示，這個非天然的方式的成本收益率也很高，他們已經證明，一個100%導電區域並不如一個由導電區域和非導電區域混合而成的“雜交”區域的導電效果好，後者的導電率可能是前者的1000倍，他的研究團隊正在嘗試用四套不同的聚合物設計新的質子交換膜。
