質子交換膜燃料電池（PEMFC）最早是在20世紀60年代由通用電氣(GE)公司為美國宇航局(NASA)開發的，與其他燃料電池相比，其優點是能量密度高，不使用流動的、腐蝕性的電解質，結構簡單。

最初，由于電解質膜穩定性差，電池堆壽命很短。1964年，通用電氣公司開發了新型膜，用聚乙烯一雙乙烯基苯與氟碳基底交聯，使膜的壽命達到500h。通用電氣公司研制的1 kW PEMFC作為輔助電源，先后七次用于美國基米尼(Gemini)太空發射試驗。

60年代中期，通用電氣公司試驗杜邦(Du Pont)的Nafion膜，PEMFC的優點又增加了長壽命和低維護。1968年通用電氣公司打算將Nafion膜用于衛星發射試驗。當時，美國宇航局已選擇AFC用于阿波羅( Apollo)計劃，這一選擇使PEMFC在太空中的應用擱置了20年。

到1984年以前，除了美國洛斯阿拉莫斯(Los Ala-mos)國家實驗室(LANL)的少量工作外，PEMFC的研究基本處于停滯狀態。1983年，加拿大國防部(DND)認識到PEM FC可能滿足軍隊對能源的需求及商用前途。1984年，保拉德(Ballard )公司在加拿大國防部的資助下，開始研究開發PEM FC。其后，特別是進人20世紀90年代以后，PEM-FC快速發展。戴姆勒一奔馳(Daimler-Benz)汽車公司到一998年已研制了四代PEMFC動力汽車。

豐田于1997年推出了全燃料電池動力FCEV汽車，2001年曰月，推出第五代FCHV燃料電池汽車。PEM FC電站功率已達到250kWa 。2002年5月，通用公司展示了號稱世界上第一臺“以汽油制氫的燃料電池汽車”，型號為ChevroletS-10，在2008——2010年ChevroletS-10投放市場。
PEMFC在便攜式電源、微型電器電源、潛艇電源等方面的開發和應用也十分活躍。