質子交換膜（PEM）是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心部件，對電池性能起着關鍵作用。
質子交換膜主要由離子聚合物製成，旨在傳導質子，同時充當電子絕緣體和反應物屏障。在電池中，質子交換膜爲質子遷移和傳輸提供通道，分離氣體反應物並阻隔電解液。它處在膜電極最中心的位置，作爲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，質子交換膜作爲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。
質子交換膜的主要應用場景有氯鹼工業、燃料電池、電解水制氫槽和全釩液流電池。根據質子交換膜含氟量的不同，可分爲全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜和複合膜，其中全氟磺酸聚合物是目前主流的質子交換膜方案。