燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池

氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为： 负极：H₂ 2OH^-→2H₂O 2e^-

正极：1/2O₂ H₂O 2e^-→2OH^-

电池反应：H₂ 1/2O₂==H₂O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H ）相关，发生的反应为：

燃料极：H₂==2H 2e^-（1）

空气极：2H 1/2O₂ 2e^-==H₂O（2）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（3）

在燃料极中，供给的燃料气体中的H₂分解成H 和e^-，H 移动到电解质中与空气极侧供给的O₂发生反应。e^-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e^-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H₂和O₂生成的H₂O，除此以外没有其他的反应，H₂所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。 引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。

PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H₂、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H₂和CO₂。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。

相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。

MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。

MCFC工作原理。空气极的O₂（空气）和CO₂与电相结合，生成CO₃^2-（碳酸离子），电解质将CO₃^2-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H 相结合，放出e^-，同时生成H₂O和CO₂。化学反应式如下：

燃料极：H₂ CO₃^2-==H₂O CO₂ 2e^-（4）

空气极：CO₂ 1/2O₂ 2e^-==CO₃^2-（5）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（6）

在这一反应中，e^-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e^-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO₃^2-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH₄在电池内部改质，在电池内部直接生成H₂的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H₂O反应生成H₂，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。

SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO₂(氧化锆)，它构成了O^2-的导电体Y₂O₃（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO₃(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO₃(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：

燃料极：H₂ O^2-==H₂O 2e^-（7）

空气极：1/2O₂ 2e^-==O^2-（8）

全体：H₂ 1/2O₂==H₂O（9）

燃料极，H₂经电解质而移动，与O^2-反应生成H₂O和e^-。空气极由O₂和e^-生成O^2-。全体同其他燃料电池一样由H₂和O₂生成H₂O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH₄改质成H₂加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。