质子交换膜（proton exchange membrane），或称高分子电解质膜（polymer electrolyte membrane；二者均简称PEM），是一种离子聚合物的半透膜，设计用于质子传导隔绝氧或氢。主要应用于质子交换膜燃料电池的膜电极组（MEA），分离反应物及传导质子。
PEM材质可由纯聚合物膜或复合膜制作。最常见的和市售的质子交换膜的材料是全氟磺酸的含氟聚合物（PFSA），杜邦产品。Nafion是与像聚四氟乙烯全氟化主链的离聚物，有用于制造质子交换膜的离聚物许多其他的结构基序。许多使用多环芳烃聚合物而其他人使用部分氟化聚合物。
质子交换膜是主要特性质子传导率（σ）、甲醇渗透率（P），和热稳定性。
