在电化学领域，一种创新的技术是将离子导电聚合物作为电解质，这种技术最初被称为固体聚合物电解质（Solid或Polymer Electrolyte，简称SPE）。质子交换膜电解技术的发展与杜邦公司发现的全氟磺酸树脂（Nafion®膜）密切相关。20世纪50年代，美国通用电气公司开发了首个质子交换膜电解装置。在这个装置中，阳极的水被分解成质子、氧气和电子，质子通过膜传输到阴极，而电子则通过外部电路从阳极流向阴极。在阴极，电子与质子结合生成氢气。质子交换膜电解室中发生的电化学反应如下：

质子交换膜是电解装置的核心部件，通常由全氟磺酸聚合物制成，如Fumapem、Nafion、Aciplex和Flemion等，这些膜以其高效率、高强度、高氧化稳定性和良好的耐用性、温度稳定性及质子传导性而著称。特别是Nafion膜，因其在高电流密度下的工作能力、耐久性、质子传导性和机械稳定性而广受欢迎。

质子交换膜电解装置在极端腐蚀环境下（pH值低于2）运行，因此需要使用耐腐蚀的材料来保护电极和膜。此外，这些装置在高电流密度下需要承受高电压，只有少数材料能够适应这些条件。因此，这些装置通常使用贵金属催化剂，如铂（Pt）、铱（Ir）和钌（Ru），这些材料价格昂贵且稀有，限制了它们的实用性。铱在地壳中的含量极低，而铂和金的含量稍高，但随着需求的增加，成本也随之上升，这对质子交换膜电解技术市场构成了负面影响。

为了解决催化剂问题，过去几十年的研究主要集中在使用过渡金属氧化物来减少贵金属的使用，并将这些氧化物与贵金属混合，以在减少贵金属用量的同时保持电极性能和降低成本。

与碱性水电解相比，质子交换膜电解装置能够实现更高的工作电流密度（2A/cm²），并且由于其良好的质子导电性（电导率约为0.1-0.02S/cm），能够减少欧姆损耗，提高电流密度，从而降低运行成本。

质子交换膜电解装置的另一个优点是其较低的氢气交叉率和高纯度的氢气（通常达到99.999%），这得益于质子在膜中的快速传输响应。此外，固体电解质的使用使得这些装置结构紧凑，能够在更高的压力下工作，这对于提供高压氢气、降低压缩和储存氢气的能量消耗非常有用。根据Fick扩散定律，高工作压力可以减少电极上的气相，提高气体的出气率。

然而，质子交换膜电解装置在高压（超过100bar，1bar=0.1MPa）下运行时，可能会出现气体交叉渗透的问题。通常，会在膜中添加一些材料来限制气体交叉渗透，但这会显著降低膜的导电性。