Điện thoại di động, một số ô tô hay nhà máy phát điện cỡ nhỏ, là các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của loại tế bào nhiên liệu này. Ưu điểm của loại tế bào này là có cấu tạo đơn giản, khởi động nhanh không cần phải làm nóng trước lâu. Mặc dù giá thành tương đối cao vì các chất xúc tác phải làm bằng kim loại quý, PEMFC được dự đoán có tiềm năng thị trường rất lớn. Loại tế bào nhiên liệu này là loại được sử dụng nhiều nhất trong các xe thực nghiệm như ô tô, xe buýt, tàu điện.

NASA đã sử dụng loại tế bào nhiên liệu này trong chương trình du hành vũ trụ Gemini.

Năm 1999 DaimlerChrysler hợp tác cùng với Ford và Ballard Power Systems giới thiệu xe NECAR 4 (New Electric Car 4) dùng PEMFC được cung cấp chất đốt từ một bình hydrogen lỏng có tầm hoạt động 450km và vận tốc nhanh nhất là 140 km/h.

Năm 2001 Opel và General Motor giới thiệu loại xe HydroGen3 với bình hydrogen lỏng dung tích 68 lít, có tầm hoạt động 400 km và vận tốc nhanh nhất là 150 km/h.

Các loại xe buýt của DaimlerChrysler và của MAN sử dụng PEMFC cũng đang được chạy thực nghiệm ở nhiều thành phố trên thế giới. Nhiều thiết bị kết hợp phát điện và sưởi từ PEMFC của hãng Ballard Power Systems cũng đang được thử nghiệm tại Berlin (Đức).