所謂“燃料電池”，原理上與傳統的化學電池基本相同，也是通過電化學反應將物質的化學能轉化為電能。不同的是:傳統電池的內部物質是預先充滿的，化學反應後就不能再供電了；燃料電池的化學反應所用的物質不斷從外部填充，所以它能持續發電。這是燃料電池最顯著的特點。
燃料電池的工作原理是以原燃料為反應物，如天然氣、石油、甲醇等。，經“燃料重整裝置”分離出氫氣後進入電池體內，另壹端空氣中的氧氣也進入電池體內，分別供給電池的電極，使氫氣和氧氣通過電解質發生電化學反應，產生電位差，形成低壓直流輸出。
因為燃料電池直接將物質的化學能轉化為電能，所以效率較高，根據理論計算可以達到90%。但實際上燃料電池的化學反應還是有“耗功”損耗的，所以損耗最高只能達到60% ~ 70%。
燃料電池主要由燃料、氧化劑、電極和電解質組成。它使用的燃料範圍很廣，如天然氣、石油、甲醇、液氨、肼、碳氫化合物、氫氣等。這種電池可以根據需要設計成不同的容量，主要取決於“單片電池”的數量。單體電池由正極(連接到空氣電極板)、負極(連接到燃料電極板)、電解質容器和上下絕緣隔板組成。根據需要，可以通過串聯單體電池獲得所需的電壓和功率。
這種電池的化學反應過程簡單來說就是:在負極(氫電極)壹側，氫氣(H2)被催化劑(鉑電極)電離，變成容易反應的(H+)狀態。這些分離出來的氫離子通過電解質，如苛性鉀(KOH)輸送到正極(氧電極或空氣電極)，分離出來的電子也通過外電路移動到正極。
負極和正極從外部不斷地被供給氫氣(燃料)和氧氣(空氣)，這個反應不斷地進行，電子不斷地在外電路中流動，這就是我們需要的電流。
作為將化學能直接轉化為電能的新型發電技術的應用，燃料電池具有許多獨特的優勢:
壹是熱損失小，發電效率高，壹般達到40% ~ 50%，預計最高可達60% ~ 70%，且不受負荷變化影響。目前世界上火力發電廠的效率不到40%，而我國燃煤電廠的效率只有27% ~ 28%。
二是低汙染。在發電過程中，燃料電池不需要鍋爐、燃燒器等燃燒設備，也不需要汽輪機等高速旋轉設備。所以不排放溫室效應物質和有毒物質，沒有噪音幹擾。
第三，原燃料適應性強，燃料電池使用的燃料可以多種多樣，可以“消化”，比如煤、油、氣。
四是用途廣泛，可用於航天、航空、地面供電，適合在城鄉、海島、居民區、企業內部熱電負荷區布置。
目前除了單獨使用燃料電池發電外，還使用燃料電池-燃氣輪機-渦輪發電機聯合運行，形成三合壹的燃料電池電站，從而提高經濟性和可靠性。所謂聯合運行，就是用於發電的原燃料先後經過燃料電池、燃氣輪機、汽輪發電機的鍋爐裝置，實現燃料能量的串聯轉換，三個發電裝置同時發電。當燃料電池的燃料利用率為55%時，三種發電裝置的最佳功率輸出比為35%、47%和17%。這種形式的聯合運輸是各國應用燃料電池的壹個重要趨勢。
此外，由於燃料電池在工作中還會產生大量的熱水和熱蒸汽，為了充分利用這些熱能，目前還采用了“熱電聯產”，使能源利用率大大提高，熱電綜合效率最好可達87%。
回顧燃料電池的發展，既古老又年輕，坎坷又迅猛。這種先進的發電技術原理早在19世紀上半葉就由英國科學家格勞布發明，但由於技術和經濟原因，長期未能應用於實踐。到了20世紀60年代，隨著航天技術的發展，這種發電技術被開發出來並應用於解決其供電問題，由美國公司研制成功，隨後隨阿波羅號首次登陸月球。與此同時，1967美國燃氣公司也做了燃料電池的民用計劃，開始研發。隨後，日本和壹些歐洲國家也參與了這項高技術的研究工作。
近20年來，美國和日本都非常重視燃料電池的發展。研發投入大，見效快，見效快。
美國是燃料電池發展最快的國家。到1990，運行的燃料電池機組有23臺，總裝機容量為11萬千瓦。美國發展燃料電池的技術重點是提高燃料利用率，降低燃料電池的生產成本和發電成本，註重多渠道技術開發。
1990年初，貝爾實驗室研制成功了壹種微芯片燃料電池，可以直接將作為燃料的混合氣體(氣體)轉化為電能，每千克氣體可以產生1 kW。這種燃料電池由壹層厚度不到5000億分之壹米的透氣氧化鋁薄膜夾在兩層薄鉑片之間組成。它的優點是重量輕，成本低，充電方便，只需更換氣囊。它可以取代目前使用的電池和便攜式發電機。西屋公司已經建成了1500 kW的磷酸燃料電池電站，現在正在新建7500 kW的電站。美國還成功研制了3 kW的固體燃料電池，並正在研制25 kW的固體電池。
美國能源部最近開發了壹種陶瓷燃料電池，將液體或氣體燃料置於兩個波紋狀的陶瓷片中，使燃料直接與氧化劑反應獲得電能，因此不需要壹般燃料電池所需的燃料箱。與其他燃料電池相比，它釋放了兩倍的功率，發電效率達到了55% ~ 60%。
日本的燃料電池發展也比較早。從1961年，日本富士電機公司開始開發，到1972年，做了10千瓦的堿性電池，1973年轉入磷酸電池的開發，也發展很快。20世紀80年代初，日本將發展燃料電池列入“月光計劃”，從1986開始，在部分地區推廣燃料電池發電。1991 5月12日，日本東京電力公司成功建成世界上最大的磷酸燃料電池發電裝置，輸出功率為1.1萬千瓦。發電效率為41%。燃料電池是磷酸水冷，屬於第壹代產品。據估計，這種燃料電池堆進入實用階段後，可以滿足至少5000戶民用住宅的電力需求。因此，有人將其視為燃料電池商業化的第壹步，具有很高的開發價值。
1989這種200千瓦的電站日本已經建成，4500千瓦的電站正在建設中。
第二代燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池，也已進入工業試驗階段。日本在30千瓦的水平上取得了成功。第三代燃料電池是固體電解質燃料電池，在日本已經測試成功，在1 kW的水平。1991年底，日本電力公司和城市燃氣公司在大阪組成了磷酸燃料電池發電技術研究合作社。計劃在191年底前新建5000 kW和1000 kW的燃料電池。1992年，日美決定共同開發。
日本政府壹直在實施推廣燃料電池的長期計劃，將在90年代初廣泛應用於商業區、醫院、體育場館等部門；90年代中後期，在工業企業推廣；20世紀初達到全國總發電量的13%，使燃料電池成為未來重要的新能源。目前正在建設5000千瓦燃料電池電站，可連續運行8000小時，功率效率40%，混合熱效率80%。預計2005年日本將有654.38+00萬千瓦的燃料電池廣泛應用於各個領域。
20世紀90年代初，日本也開始開發超微型“生物燃料電池”。它的原理和以氫為燃料的電池是壹樣的，但它是以人體血液中的葡萄糖為主要燃料。其主要目的是為人造胰腺器官提供動力，並將其埋入患者體內。它能產生的最高電壓估計為1.1伏，電流強度為0.1安培。
專家預計，隨著燃料電池發電技術的進壹步突破，作為壹種新型供電系統，到21世紀中葉，它可能取代火力發電形成強大的燃料電池發電網絡，成為重要的二次能源。