本发明提供了一种质子膜非线性溶胀的测量装置及方法，包括覆膜环、紧固环、测距探针及支架；所述支架设置在所述测距探针上，所述覆膜环设置在所述支架上，待测质子膜夹设在所述覆膜环和所述紧固环之间；所述覆膜环用于支撑待测质子膜，所述紧固环用于固定待测质子膜，所述测距探针用于测量待测质子膜的膜溶胀位移和受力，所述支架用于固定连接所述覆膜环和所述测距探针。本发明针对燃料电池中的实际环境特征，模拟在不均匀润湿或有外力限制的情况下质子膜的溶胀行为，测量相应参数。