電池中的活性物質由外部不斷地分別送入正、負電極而反應產物連續地從電池中排出的一種可連續使用的化學電源。常用燃料電池的負極活性物質有氫、肼、甲醇或各種烴類等。氫可以直接由氫源供給（稱直接式），也可以由天然氣、石油經重整或裂化制取（稱間接式）。正極活性物質通常是空氣或氧。由於電極活性物質活性低且涉及氣體，因此電催化和氣體擴散多孔電極的進展與燃料電池有極其密切的關係。
利用燃料直接輸入電池發電，而不經過熱迴圈，這是從19世紀以以來人們一直追求的理想的能量轉換方式。到20世紀60年代，燃料電池的研究出現瞭高潮，並以1967年美國阿波羅登月飛行成功地應用氫－氧燃料電池而達到高峰。隨後，因經濟指標不適於發展民用，一度轉入低潮。近年來，磷酸型氫－氧燃料電池和高溫熔融碳酸鹽內重整電池的進展，使燃料電池又有瞭新的崛起趨勢。
燃料電池種類繁多，目前研究比較成熟的有氫-氧燃料電池(見圖)、
肼－空氣燃料電池、甲醇－空氣燃料電池，特別是各種氫－氧燃料電池，如培根型、磷酸型、離子交換型、毛細膜型等。
氫－氧燃料電池的電化學工作原理如圖所示。其中的反應為：
要維持燃料電池正常運行，必須有反應物的供應和產物（如水和熱）的排除，以及相應的控制系統，因而難以小型化。
燃料電池的主要優點是能量轉換效率高、可長時間連續運行、污染小、噪聲低。熱電站的能量轉換效率理論上受卡諾循環所限制，實際效率一般在30％左右，最大不超過40％。利用燃料電池作媒介，等於燃料氫在恒溫下燃燒，化學能轉變為電能的理論效率可達100％。目前氫－氧燃料電池的實際效率已達50％～70％。由於需要使用貴金屬催化劑，用純氫的燃料成本高和電池壽命還不夠長，所以目前尚不能與常規電站競爭。
近年來，磷酸型氫－氧燃料電池有瞭較大的進展。鉑催化劑含量已從每平方米電極需60克減至隻需7.5克。采用高濃度磷酸和中溫(190℃)運行，催化劑不易受一氧化碳毒化，可直接使用石油的重整或裂化氣；同時，中溫下高濃度磷酸有自動調節排除產物（水）的能力，可大大簡化整體系統；運行壽命已達6000小時。有希望發展成為第一代民用燃料電池。
高溫熔融碳酸鹽電解質和高溫固體電解質燃料電池，由於不必用貴金屬催化劑和可利用內重整而直接送入天然燃料，近年來已取得一些進展，人們期望能成為第二代民用燃料電池。