质子交换膜燃料电池（PEMFC）最早是在20世纪60年代由通用电气(GE)公司为美国宇航局(NASA)开发的，与其他燃料电池相比，其优点是能量密度高，不使用流动的、腐蚀性的电解质，结构简单。

最初，由于电解质膜稳定性差，电池堆寿命很短。1964年，通用电气公司开发了新型膜，用聚乙烯一双乙烯基苯与氟碳基底交联，使膜的寿命达到500h。通用电气公司研制的1 kW PEMFC作为辅助电源，先后七次用于美国基米尼(Gemini)太空发射试验。

60年代中期，通用电气公司试验杜邦(Du Pont)的Nafion膜，PEMFC的优点又增加了长寿命和低维护。1968年通用电气公司打算将Nafion膜用于卫星发射试验。当时，美国宇航局已选择AFC用于阿波罗( Apollo)计划，这一选择使PEMFC在太空中的应用搁置了20年。

到1984年以前，除了美国洛斯阿拉莫斯(Los Ala-mos)国家实验室(LANL)的少量工作外，PEMFC的研究基本处于停滞状态。1983年，加拿大国防部(DND)认识到PEM FC可能满足军队对能源的需求及商用前途。1984年，保拉德(Ballard )公司在加拿大国防部的资助下，开始研究开发PEM FC。其后，特别是进人20世纪90年代以后，PEM-FC快速发展。戴姆勒一奔驰(Daimler-Benz)汽车公司到一998年已研制了四代PEMFC动力汽车。

丰田于1997年推出了全燃料电池动力FCEV汽车，2001年曰月，推出第五代FCHV燃料电池汽车。PEM FC电站功率已达到250kWa 。2002年5月，通用公司展示了号称世界上第一台“以汽油制氢的燃料电池汽车”，型号为ChevroletS-10，在2008——2010年ChevroletS-10投放市场。
PEMFC在便携式电源、微型电器电源、潜艇电源等方面的开发和应用也十分活跃。