AGFA質子交換膜處在膜電極最中心的位置，作為質子傳遞載體將陽極催化層產生的質子轉移至陰極催化層，與氧氣反應生成水。同時，質子交換膜作為物理屏障將陽極燃料與陰極燃料分開，避免二者直接接觸。此外，質子交換膜不導通電子，迫使電子通過外電路傳導，達到對外提供能量的目的。
AGFA質子交換膜的結構特點：
1、分子結構
在眾多質子交換膜中，全氟磺酸質子交換膜(PFSA膜)因為出色的電導率及優異的穩定性，是目前最主流的質子交換膜。它是以全氟磺酸樹脂為骨架，含磺酸根的全氟乙烯基醚為支鏈的全氟磺酸聚合物。代表產品有杜邦公司的Nafion膜，還有dow膜，3M膜及Aciplex膜等，主要區別在于側鏈的長短不同。
PFSA膜的碳氟C-F鍵鍵能高(485kJ/mol，比C-C鍵和C-H鍵都高)、鍵長短，不容易斷裂，所以穩定性好。其次，氟原子可以通過分子鏈的旋轉折疊等形式覆蓋在C-C鍵周圍，對C-C鍵起到保護作用，提高了PFSA膜的化學穩定性和熱穩定性。
2、微觀結構
在PFSA膜中，磺酸根具有較強的親水性，而碳氟高分子骨架具有較強疏水性，兩者強烈的反差會使得膜在遇到水時發生微相分離：親水的磺酸基團與水分子結合，相互聚集形成朝里的親水相；疏水的碳氟骨架則朝外形成憎水相。親水相內水分子形成了水通道，為質子傳導提供了傳輸路徑；憎水相則為膜提供了必要的機械強度及化學穩定性。
