Membranen lassen sich auch zur Befeuchtung oder Entfeuchtung verwenden. Dafür eignen sich Membranen mit hoher Wasserdampfdurchlässigkeit und hoher Selektivität gegenüber Luft. Ein Anwendungsgebiet ist die Dehydrierung von Gasen, zum Beispiel Rauchgas, Erdgas oder Druckluft. Ein weiterer Bereich ist die Klimatisierung von Gebäuden, bei der neben dem Transport von Wasserdampf oft auch eine Wärmeübertragung ebenfalls notwendig ist. Membransysteme, die beides leisten, werden auch als Enthalpietauscher oder Energierückgewinnungsventilatoren bezeichnet. Membranen für die Befeuchtung können ebenfalls ein wichtiger Bestandteil von externen Anfeuchtern sein, einer Komponente von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Für eine optimale Leistung der PEMFC ist die Anfeuchtung ihrer ionomeren Membran wesentlich. Wenn die ionomere Membran nicht vollständig hydratisiert ist, tritt ein Verlust der Protonenleitfähigkeit auf, was die Leistung und Haltbarkeit verringert.