同普通化学电池在结构上有所类似，燃料电池也是由阳极（燃料电极）、阴极（氧化电极）和电解质构成。其中阳极催化燃料的氧化过程，阴极催化氧化剂的还原过程，电池的两个电极通过外接线路提供了电子转移的场所，电解质则构成了电池的内回路。
从燃料电池的反应过程来看，以氢气为燃料举例：燃料及氧化剂分别在电池的阳极和阴极借助催化剂的作用电离成离子，并通过电解质在电极间发生迁移形成电势差，从而使电子经外电路发生从阳极向阴极的转移，完成回路并产生电流。燃料电池与普通化学电池最大的区别在于，燃料电池不是储能而是连续输出电能，只要燃料和氧化剂源源不断地供给电极，就可以在排除反应产物和热量的过程中连续输出电能。
实际运行的燃料电池总效率在45%-60%之间，如果能充分利用反应过程中的生成热，其综合利用效率可接近80%，远远超过常规燃煤电站（35%左右）以及先进的燃气-蒸汽联合循环（50%左右）。的发电效率。
根据使用的电解质不同，有以下5种燃料电池。
I.碱性燃料电池这种电池用35%~45%KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出，以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。
II.酸型燃料电池这种电池采用磷酸为电解质，工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少，还原剂的纯度要求有较大降低，一氧化碳含量可答应达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的磷酸型燃料电池。到2002年初，美国已在全世界安装测试了200kWPAFC发电装置235套，累计发电470万小时。在美国和日本，有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标。欧洲现有5200kWPAFC发电装置在运转。日本福日电器和三菱电器已经开发出500kWPAFC发电系统。我国魏子栋等人进行Pt3/C氧还原电催化剂的研究，并提出了Fe/Co对Pt的锚定效应。磷酸型燃料电池发电技术目前已得到高速发展，但是其启动时间较长以及余热利用价值低等发展障碍导致其发展速度减缓。
III.熔融碳酸盐燃料电池这种电池用两种或多种碳酸盐的低融混合物为电解质，如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质，电极为镍粉烧制而成，阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂，主要是在美国、日本和西欧研究和利用较多。2~5MW外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世，在解决MCFC的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破，美国燃料电池能源公司已在实验室测试263kWMCFC发电装置。意大利Ansaldo公司与西班牙Spanishcomp’s合作开发100kWMCFC发电装置和500kWMCFC发电装置。日本日立公司2000年开发出1MW的MCFC发电装置。东芝开发出低成本的10kWMCFC发电装置。MCFC中阴极、阳极、电解质隔膜和双极板是基础研究的四大难点，这四大部件的集成和对电解质的治理是MCFC电池组及电站模块的安装和运转的技术核心。
IV.固体氧化物燃料电池电池中的电解质是复合氧化物，在高温时，有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态，使有些氧负离子晶格位空出来而导电。目前世界各国都在研制这类电池，并已有实质性的进展，但存在缺点：制造成本较；温度太高；电介质易裂缝；电阻较大。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。美国和日本多家公司正在开发10kW平面轮机SOFC发电装置。德国西门子-西屋电器公司正在测试100kWSOFC管状工作堆，美国在测试25kWSOFC工作堆。国内大都处于SOFC的基础研究阶段。SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料，密封和结构上的问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发展，成为其技术突破的关健方面。
V.质子交换膜燃料电池它是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，它是为航天和军用电源而开发的。在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。美国多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究开发出便携式PEMFC发电堆。加拿大电力系统公司与日本的EBARA公司合作研究开发250kWPEMFC发电设备和1kWPEMFC便携式发电系统。德国在柏林建造了一个250kWPEMFC的实验堆。质子交换膜燃料电池的核心技术是电极-膜-电极三合一组件的制备技术。为了向气体扩散，电极内加入质子导体，并改善电极与膜的接触，采用热压的方法将电极、膜、电极压合在一起，形成了电极-膜-电极三合一组件，其中，质子交换膜的技术参数直接影响着三合一组件的性能，因而关系到整个电池及电池组的运行效率。PEMFC的价格也制约着其商业化进程，因此，改进其必要组件性能，降低运行成本，是发展PEMFC的重要方向。进入20世纪90年代后，由于人们对环境保护的日益重视和质子交换膜燃料电池技术的高速进步和显著优点，质子交换膜燃料电池在民用方面，尤其是电动车方面的应用引起了各国政府和企业的高度关注，并纷纷投巨资进行研究，使PEMFC技术得到了进一步的飞速发展，性能得到很大提高，成本也不断降低。在铂的使用量方面，Ballard公司通过采用一种新工艺，已经使载铂量降0.02mg/cm2。在质子交换膜方面，Ballard公司开发的BAM3G新型部分氟化质子交换膜，性能优于目前普遍使用的Nafion系列膜，而成本仅是其20％左右。技术的进步使PEMFC的功率密度也大大提高，Ballard公司生产的电池组体积比功率已超过1300W/L，超过了DOE制定的电动车标准。随着PEMFC技术的飞速发展，实用的PEMFC已经开始应用于各个领域。德国海军已经配备了4艘用Siemens公司制造的300KWPEMFC作为动力源的潜艇，Ballard公司已经开始出售商业化的250KWPEMFC发电装置、电动车用PEMFC和各种便携式电源，日本丰田等汽车公司则已经推出商业化的燃料电池电动车。
碱性燃料电池(AFC)是最早开发的燃料电池技术，在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。磷酸型燃料电池(PAFC)也是第一代燃料电池技术，是目前最为成熟的应用技术，已经进入了商业化应用和批量生产。由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术，主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点，发展最快，应用广泛，成为第三代燃料电池。目前正在开发的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它具有较高的能量效率和能量密度，体
积重量小，冷启动时间短，运行安全可靠。另外，由于使用的电解质膜为同态，可避免电解质腐蚀。燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展，技术逐渐成熟，并在一定程度上实现了商业化。作为21世纪的高科技产品，燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业，受到各国政府的重视。下面主要介绍几种目前研究较热的燃料电池。
