聚合物膜的質子導電性主要取決于膜的結構及其含水量。膜的含水量通常表示為干燥聚合物膜每克中所含水的克數(shù)，或表示為聚合物每個磺酸基中存在的水分子數(shù)，λ=N(H_{2}O)/N(SO_{3}H)。膜的最大含水量主要取決于使得膜平衡的水的狀態(tài)。目前已知，液態(tài)水的Nafion平衡膜(即水沸騰)中每個磺酸基大約需要22個水分子，而從汽相吸收的最大水量中每個磺酸基卻只需要14個水分子，此外，從液相吸收的水取決于膜的預處理。扎沃津斯基等人表明，在105℃時膜完全干燥后吸收的水明顯少于其在室溫時完全干燥后所吸收的水，λ=12\sim16，這取決于105℃時干燥的膜重新水化后的溫度，而λ=22與室溫下干燥的膜重新水化后的溫度無關。這一現(xiàn)象可解釋為溫度升高時聚合物的形態(tài)發(fā)生變化，事實上，對于一個比Nafion膜略高玻璃軟化溫度的實驗性陶氏膜，在105℃時干燥的作用與Nafion膜相比并不明顯，即在80℃時重新水化后，膜吸收的水與之前在室溫下干燥的膜一樣(λ=25)。從汽相吸收的水可能與燃料電池的工作更相關，其中反應氣體加濕且水存在于汽相。從汽相中吸收水時注意兩個特殊過程：

1)在低蒸汽活動區(qū)域，α_{H_{2}O}=0.15\sim0.75，吸水增加到大約λ=5；

2)在高蒸汽活動區(qū)域，α_{H_{2}O}=0.75\sim1.0，吸水急劇增加到大約λ=14.4。

第一個過程對于應于膜內離子溶解而吸收的水，而第二個過程對應于充滿微孔并使得聚合物膨脹的水。需要注意的是，從完全飽和汽相(α_{H_{2}O}=1)吸收的水明顯少于從液相(α_{H_{2}O}=1)的吸收的水，即分別為λ=14和λ=22。1903年施羅德首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，故稱為施羅德悖論。從汽相和液相吸收的水之間存在差異的一種解釋是：汽相下吸收包含了聚合物內部的冷凝水，大多位于強疏水性的聚合物主鏈上，從而導致吸收的水少于直接從液相吸收的水。

根據(jù)試驗結果，扎沃津斯基等人擬合一個多項式方程來獲得膜表面上水活性和水含量之間的關系：

λ=0.043+17.18α-39.85α^{2}+36α^{3}

式中，α為水蒸氣活性。

假設氣體混合特性為理想的氣體，則可用相對濕度取代水蒸氣活性，即p/p_{set}，其中，p為水的分壓，而p_{set}為在給定溫度下的飽和壓力。

水吸收導致膜膨脹并改變其尺寸，這對于燃料電池的裝配是一個非常重要的因素(物理特性)。

質子電導率是燃料電池中聚合物膜的最重要函數(shù)，室溫下一個完全水合膜中的質子電導率約為0.1S/cm(西門子每厘米)。

水傳輸，電化學反應會在陰極側反應生成水，水的生成率(單位mol\cdots^{-1}cm^{-1})為

N_{H_{2}O}=\frac{i}{2F}

式中，i為電流密度(A/cm^{2})；F為法拉第常數(shù)。

在經過電解質的質子運動下，水從陽極流動到陰極，這稱為電滲遷移；水生成和電滲遷移會在膜的兩側產生一個較大的濃度梯度，在該梯度的作用下，一些水會從陰極擴散回陽極，這稱為水的擴散；除了因濃度梯度導致的擴散外，在陰極和陽極之間存在壓差時，水也可以從膜的一測到另一側，這稱為液壓滲透。

對于薄膜而言，水的擴散足以抵消電滲遷移作用下的陽極干燥效應，然而對于較厚的膜，陽極側會較為干燥。

氣體滲透，原理上，膜應對反應物組分不可滲透，以防止反應物組分在參與化學反應之前混合，然而，由于膜多孔結構、水含量以及氫和氧在水中的可溶解性等原因，一些氣體可以滲透過膜。其中，氫的滲透率比氧高一個數(shù)量級，通過潮濕的Nafion膜滲透率會再高一個數(shù)量級。