在電化學領域，一種創新的技術是將離子導電聚合物作為電解質，這種技術最初被稱為固體聚合物電解質（Solid或PolymerElectrolyte，簡稱SPE）。質子交換膜電解技術的發展與杜邦公司發現的全氟磺酸樹脂（Nafion®膜）密切相關。20世紀50年代，美國通用電氣公司開發了首個質子交換膜電解裝置。在這個裝置中，陽極的水被分解成質子、氧氣和電子，質子通過膜傳輸到陰極，而電子則通過外部電路從陽極流向陰極。在陰極，電子與質子結合生成氫氣。質子交換膜電解室中發生的電化學反應如下：

　　質子交換膜是電解裝置的核心部件，通常由全氟磺酸聚合物制成，如Fumapem、Nafion、Aciplex和Flemion等，這些膜以其高效率、高強度、高氧化穩定性和良好的耐用性、溫度穩定性及質子傳導性而著稱。特別是Nafion膜，因其在高電流密度下的工作能力、耐久性、質子傳導性和機械穩定性而廣受歡迎。

　　質子交換膜電解裝置在極端腐蝕環境下（pH值低于2）運行，因此需要使用耐腐蝕的材料來保護電極和膜。此外，這些裝置在高電流密度下需要承受高電壓，只有少數材料能夠適應這些條件。因此，這些裝置通常使用貴金屬催化劑，如鉑（Pt）、銥（Ir）和釕（Ru），這些材料價格昂貴且稀有，限制了它們的實用性。銥在地殼中的含量極低，而鉑和金的含量稍高，但隨著需求的增加，成本也隨之上升，這對質子交換膜電解技術市場構成了負面影響。

　　為了解決催化劑問題，過去幾十年的研究主要集中在使用過渡金屬氧化物來減少貴金屬的使用，并將這些氧化物與貴金屬混合，以在減少貴金屬用量的同時保持電極性能和降低成本。

　　與堿性水電解相比，質子交換膜電解裝置能夠實現更高的工作電流密度（2A/cm2），并且由于其良好的質子導電性（電導率約為0.1-0.02S/cm），能夠減少歐姆損耗，提高電流密度，從而降低運行成本。

　　質子交換膜電解裝置的另一個優點是其較低的氫氣交叉率和高純度的氫氣（通常達到99.999%），這得益于質子在膜中的快速傳輸響應。此外，固體電解質的使用使得這些裝置結構緊湊，能夠在更高的壓力下工作，這對于提供高壓氫氣、降低壓縮和儲存氫氣的能量消耗非常有用。根據Fick擴散定律，高工作壓力可以減少電極上的氣相，提高氣體的出氣率。

　　然而，質子交換膜電解裝置在高壓（超過100bar，1bar=0.1MPa）下運行時，可能會出現氣體交叉滲透的問題。通常，會在膜中添加一些材料來限制氣體交叉滲透，但這會顯著降低膜的導電性。