燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

（一）技術原理：通過電化學反應生成水，并釋放出電能

燃料電池是利用水的電解的逆反應的發電機，通過電化學反應生成水，并釋放出電能。燃料電池以氫或富氫氣體為燃料，以空氣中的氧為氧化劑，等溫地按電化學方式直接將化學能轉化為電能。

燃料電池的工作原理與普通電化學電池相類似，兩者都是通過電化學反應將化學能直接轉換為電能。然而從實際應用來考慮，兩者又存在較大的差別。普通電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝置；而燃料電池是一個可以連續不斷產生電能的氫氧發電裝置。

1.氫燃料電池具有能量轉化效率高、零排放、燃料氫取得容易等特點。

2.燃料電池由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板以及外部電路所組成。

燃料電池的陽極是氫電極，陰極是氧電極，兩極之間是電解質，可分為堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質子交換膜型。另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

（二）燃料電池種類:MCFC、PEMFC、SOFC是最接近商用化的類型

按電解質分，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）；磷酸燃料電池（PAFC）；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；固體氧化物燃料電池（SOFC）；質子交換膜燃料電池（PEMFC）等五種。按工作溫度分，燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。低溫(＜100oC)；中溫(100~500oC)高溫(＞500oC)。

從目前的商業應用來看，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）與固體氧化物燃料電池（SOFC）型燃料電池是最主要的技術路線，其中MCFC和SOFC主要有應用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯產，PEMFC主要應用與燃料電池汽車。

1.固體氧化物燃料電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。

在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護性高等優點已經漸漸成為世界能源供應的重要組成部分。由于SOFC發電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯合循環，非常適用于分布式發電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯合發電系統不但具有較高的發電效率，同時也具有低污染的環境效益。

國外的公司及研究機構相繼開展了SOFC電站的設計及試驗，100kW管式SOFC電站己經在荷蘭運行。Westinghouse公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃氣輪機發電系統。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進行了SOFC發電系統的試驗研究。

2.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以高溫下處于熔融狀態的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質、工作溫度600-700°C，發電效率45%-55%，具有不需要使用貴金屬催化劑、也可不適用純氫，熱點聯產能量轉化率高的特點。因650°C的碳酸鹽具有強腐蝕性，因此MCFC陽極通常采用多孔鎳電極，陰極采用燒結鎳電池。1991年后日本把該型電池作為研究重點。

3.質子交換膜燃料電池（PEMFC）

質子交換膜燃料電池（英語：ProtonExchangeMembraneFuelCell，簡稱：PEMFC），又稱固體高分子電解質燃料電池（英語：PolymerElectrolyteMembraneFuelCells），是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，膜極組和集電板串聯組合成一個燃料電池堆。質子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研究開發人員的注目。它的結構緊湊，工作溫度低（只有80℃），啟動迅速，功率密度高，工作壽命長。

PEMFC的核心是一涂有鉑催化劑的彈性塑料膜。鉑催化劑把氫氣轉化為質子和電子，只有質子可以通過電解質膜，與膜另一側的氧結合生成水，而電子在閉合的外電路中形成電流。燃料電池中，質子交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，得到了廣泛的應用。世界各大汽車集團競相投入巨資，研究開發電動汽車和代用燃料汽車。從目前發展情況看，PEMFC是技術最成熟的電動車動力源，PEMFC電動車被業內公認為是電動車的未來發展方向。

20世紀60年代，美國首先將PEMFC用于Gemini宇航飛行。伴隨著全氟磺酸型質子交換膜碳載鉑催化劑等關鍵材料的應用和發展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性進展，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員對催化劑做了大量改進，使鉑的用量減少了90%，同時全球領先的燃料電池開發商，加拿大的巴拉德動力系統公司通過改進電解質膜，使電池的能量密度成倍增加，電池的性能和壽命大幅提高，電池組的體積比功率和質量比功率分別達到1000W/L、700W/kg，超過了DOE和PNGV制定的電動車指標。90年代以來，基于質子交換膜燃料電池高速進步，各種以其為動力的電動汽車相繼問世，至今全球已有數百臺以PEMFC為動力的汽車、特種、電站在國內外示范運行。

由于質子交換膜燃料電池高效、環保等突出優點，引起了世界各發達國家和各大公司高度重視，并投巨資發展這一技術。美國政府將其列為對美國經濟發展和國家安全至為關鍵的27個關鍵技術領域之一；加拿大政府將燃料電池產業作為國家知識經濟的支柱產業之一加以發展；美國三大汽車公司（GM，Ford，Chryster）、德國的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽車公司均投入巨資開發PEMFC汽車。