从人类学会利用能源以来，燃烧一直是最重要的能源利用方式。燃烧不仅提供了热量，还带来了光明，为人类的生存与发展提供了更好的条件。但是燃烧过程浪费十分严重，燃烧产生的能量真正被利用的只有很少一部分，大部分热能都随着气流逸散到更广阔的空间当中。后来，人们又发现，燃烧不仅效率很低，还会造成各种污染，空气中的固体颗粒、酸性氧化物、二氧化碳等污染物多与燃烧过程相关。于是人们开始寻找不燃烧也能获得能量的办法。
如果抛弃燃烧方法，是否还能够提取物质中的化学能呢？答案是肯定的。早在1801年，无机化学的开创者汉弗里·戴维就提出了燃料电池概念，并通过实验验证了其合理性。1839年，威廉·格罗夫（WilliamRobertGrove，1811—1896，戴维的同事）发明了真正意义上的燃料电池，而且是氢燃料电池，取名为气电池。
燃料电池之所以如此命名，有两个原因，一是它提取能量的原理与燃烧原理类似，都是通过氧化还原反应得到能量，也有类似燃料消耗的过程；二是它直接得到电力，与电池功能类似。事实上，燃料电池的运行方式与普通电池完全不同，是一种能量转化装置而并非储能装置，也许称之为“化学发电机”更为妥当。
燃料电池的基本原理是电解水的逆过程，将氧化还原反应分为两个电化学半反应，由电解质薄膜分隔在两个电极上各自完成。燃料气（氢气）通入阳极，发生氧化反应失去电子；氧气通入阴极，在催化剂的作用下发生还原反应，得到电子；电子在外电路的导电通道中传输即形成电流。由于不同类型的燃料电池采用的原料不同，具体的反应会有所差异。
各类燃料电池的结构大同小异，大都包括四个主要部件：阴极、阳极、电解质隔膜和集流器。其中电解质隔膜的作用非常关键，常常影响整个电池的应用领域与工作状态。业内通常按照电解质种类将燃料电池分为5类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池。其中碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池和磷酸燃料电池工作温度通常低于220℃，为低温燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的工作温度高于600℃，为高温燃料电池。
质子交换膜燃料电池是目前技术水平最高的燃料电池，因为其工作温度低，启动迅速，结构简单，非常适宜应用在交通工具上，被认为是车载电源的首选。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心技术组件，它是一种选择透过性膜，既提供氢离子通道，又作为介质隔开两极的反应原料。质子交换膜燃料电池的传导离子是氢离子（H＋），氢离子通过质子交换膜扩散到阴极，与氧气反应生成水，同时产生一定的热量。
目前，造价高是制约质子交换膜燃料电池商业化的关键因素之一。质子交换膜燃料电池中使用的催化剂，主要有铂、铂合金等贵金属材料，虽然催化性能很好，但成本非常高。另外，质子交换膜本身也是一种高技术产品，其制造与销售仍垄断在少数商家手中，虽然市场上也有非垄断的质子交换膜，但性能方面差距明显，无法与垄断产品相提并论，这也是制约质子交换膜燃料电池快速普及的原因之一。因此设计开发高催化活性、高耐久性和高稳定性的非贵金属催化剂及质子交换膜等成为研究热点。
燃料电池的概念虽然提出很早，但由于可靠性与成本一直难以令人满意，其研究和开发几经沉浮，早期并没有转化为实用技术。20世纪末以来，随着环境问题日益严重，能源与动力等方面的清洁化需求使燃料电池再次受到各国的普遍重视。与传统的火力发电相比，燃料电池直接将燃料中蕴含的化学能转换成电能，整个能量转换过程中没有涉及热功转换，因此能量利用效率比经过热功转换的方式要高得多。氢燃料电池的产物只有水，不对环境造成污染。当前，氢燃料电池在努力克服高成本、短寿命的缺点，相信随着技术进步，未来氢燃料电池将得到更为广泛的应用，成为清洁的动力与电力供应装备。