1839年，28岁的英国物理学家、“燃料电池之父”威廉·葛洛夫制作了首个燃料电池——氢氧燃料电池，这种以铂黑为电极催化剂的简单的燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。20世纪60年代，美国航空航天管理局（NASA）在阿波罗登月飞船上首次使用燃料电池作为主电源，为人类登月提供了有力的保障。自此之后，燃料电池技术的研究引起各国重视，开始步入快速发展阶段。
燃料电池是一种以燃料和氧化剂为原料的电化学发电装置，外观上像是一个大的金属盒子，同时也被誉为继火电、水电及核电之外的第四种发电方式。燃料电池虽然名叫“电池”，但和常见的化学电池，如锌锰干电池、铅蓄电池等是有区别的，电池属于储能器范畴，而燃料电池本质上只是一个将化学能转化为电能的能量转换器，更像是一台“发电机”。
与传统发电方式相比，燃料电池不仅燃料多样化、噪声低、环境友好、维修性好、可靠性高，最重要的是发电效率更高。这是因为传统的火电是将燃料燃烧产生的热量水气化，从而推动涡轮发电，但大部分热量都会随环境散失，因此发电效率仅能达到40％左右。燃料电池则是将氧化还原反应的化学能直接转化成电能，不经过涡轮发电，因此不受卡诺循环限制，发电效率可达到约60％，如果还能合理利用其中的热能，发电效率可达到90％以上。
燃料电池已经融入我们的日常生活中，在多个领域“大放异彩”，但其原理都是相通的。其内部是由一系列阳极、阴极、电解质和外部电路组成的基本单元堆栈形成的电堆，其中阴阳极上含有加速反应的电催化剂，电解质则位于二者之间。
燃料电池的发电过程分为4个步骤：在阳极催化剂作用下，燃料气（氢气、甲烷、甲醇等）发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；在阴极催化剂作用下，氧化物（通常为氧气）发生还原反应，得到电子和阴离子；阴阳离子通过电解质运动到对电极上，生成反应产物并排到电池外；在电势差的驱动下电子通过外电路从阳极运动到阴极，并释放电能。但是单个电堆并不能用于发电，如果搭配燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统、控制系统等模块，就可以持续工作了。
燃料电池的燃料有很多种类，例如天然气、石油、酒精、甲醇、氢气等。其中的天然气燃料电池，主要利用的是天然气中甲烷的化学能，因此也称甲烷燃料电池。
甲烷燃料电池是以甲烷为燃料的燃料电池，它既可以让甲烷直接参与化学反应来获得电能，也可以让甲烷重整生成氢气作为燃料来获得电能。燃料电池通常根据电解质的不同分为磷酸型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）、固体氧化物型（SOFC）和质子交换膜型（PEMFC）等多个种类。总的来说，可以把它们归纳为定置型发电机、运输工具和便携式电源系统三大类。
PAFC是以浓磷酸为电解质，可以在150～220℃工作，在民用领域发展较为成熟的一类燃料电池，目前正广泛应用于发电厂、车辆、移动电源及军事等领域。PAFC最早由美国的联合技术公司（UTC）牵头研发，于1977年与美国其他9家电力公司联合开发出了兆瓦级PAFC。1983年后由UTC派生的国际燃料电池公司（IFC）开始了200千瓦级PAFC成套设备的开发，目前在美国已建造了兆瓦级的PAFC电站。2006年，德国大众宣布利用磷酸开发出了可在120℃高温下工作的燃料电池，并计划作为车载电池推向市场。而目前在日本等地的分布式燃料电池装置则体现出了PAFC其他的应用方案，天然气重整生成二氧化碳和氢气发电的同时，用余热加热水同时供给用户，由于它被安装在用户附近，大大降低了电和热的传输损失。
MCFC是采用碱金属（Li、Na、K）的碳酸盐作为电解质的燃料电池。20世纪60年代，FullCellEnergy（FCE）公司就为美国陆军制造了MCFC燃料电池模块用于军事领域。而今，在美国的部分州，FCE公司的MCFC燃料电池机组也逐渐启用，并已实现小规模的商业化。
SOFC从结构上主要分为平板式和管式两种。管式SOFC是最早被研究也是目前最接近商业化的发电技术。1989年，日本东京和大阪煤气公司分别安装了3千瓦级列管式SOFC发电机组，且机组连续运行了5000小时，标志着SOFC走向了商业化。2002年5月，西门子西屋公司与加州大学合作的第一套SOFC与气体涡轮机联动发电系统落地，能量转化效率高达58％。此外，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中央研究所等也进行了千瓦级管式SOFC发电试验。
尽管燃料电池技术飞速发展，但在商业应用的道路上仍然面临着成本高、寿命短等问题。例如，对于直接以甲烷作燃料的SOFC，开发性能优异的中低温电极材料和电解质材料是关键；对于甲烷重整生成氢气作燃料的电池，甲烷重整路径与燃料电池如何更好地耦合是关键。