燃料电池有多种类型，但是它们都有相同的工作模式。它们主要由三个相邻区段组成：阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的界面之间。两种反应的净结果是燃料的消耗、水或二氧化碳的产生，和电流的产生，而生成的电流可以直接用于电力设备，即通常所称的负载。
在阳极上，催化剂将燃料（通常是氢气）氧化，使燃料变成一个正电荷的离子和一个负电荷的电子。电解液经专门设计使得离子可以通过，而电子则无法通过。被释放的电子穿过一条电线，因而产生电流。离子通过电解液前往阴极。一旦达到阴极，离子与电子团聚，两者与第三化学品（通常为氧气）一起反应，而产生水或二氧化碳。
燃料电池示意图
在燃料电池中较重要的设计特征是：
电解质材料。电解质材料通常决定了燃料电池的类型。
使用的燃料。最常见的燃料是氢气。
阳极催化剂，用来将燃料分解成电子和离子。阳极催化剂通常由极细的铂粉制成。
阴极催化剂，用来将离子转换成像水或二氧化碳的废弃化学物质。阴极催化剂通常由镍制成，但也有纳米材料催化剂。
典型的燃料电池在全额负载下可产生0.6 V至0.7 V的电压。导致随电流上升，电压下降的几个原因如下：
过电势
欧姆损耗（因电池元件和接连的阻抗而导致压降）
大规模传输损耗（在高负载下，催化剂端的反应物损耗造成电压的快速下降）[10]
为了提供所需要的能量，可以将组合多个燃料电池进行串联以产生较高电压，或并联供应较大电流。这种设计被称为“燃料电池堆叠”。就个别电池而言，可以增加其表面积以获得较大电流。在堆叠中，反应物气体应均匀分布于所有电池，以获得最大的功率输出。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
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原型的质子交换膜燃料电池的[11]效率前缘（英语：Efficient frontier）[12]设计、质子导电聚合物膜（电解质）的分隔主要在阳极和阴极双方。这也被称为固态聚合物电解质燃料电池（solid polymer electrolyte fuel cell, SPEFC），这是因为在1970年代初之前的质子交换机制尚未被完全理解。（注意：同义字“聚合物电解质膜”和“质子交换机制”有相同的英文字母缩写。）
高温质子交换膜燃料电池（PEMFC）的构造图：通过导电复合材料制造（可使用石墨、炭黑、碳纤维以及/或者碳纳米管增强导电性）的、有铣削出的气体通道结构的双极板；[13]多孔碳布；扩散层（通常在聚合物薄膜上）；聚合物膜
由质子交换膜燃料电池（PEMFC）的空气通道壁产生的冷凝水。电池周围的金线确保电流的汇集[14]
阳极一边的氢流到阳极催化剂，并分离成质子和电子，运作温度约80-100℃。这些质子与氧化剂产生反应导致他们成为通常所指的多元促进质子膜。质子，透过膜到阴极，但电子被迫移动（为提供电源）到外部电路因为电绝缘膜。阴极催化剂，氧分子与（其中有游历通过外部电路）电子和质子发生反应形成水；而在此示例中，唯一的废物产品，液体或蒸气。
除了这种纯氢气类型，还有烃类燃料的燃料电池，包括柴油、甲醇（请参阅：直接甲醇燃料电池和非直接甲醇燃料电池）和化学氢化物。这些类型燃料的废弃产品是二氧化碳和水。
质子交换膜燃料的不同组成部分是双极板、电极、催化剂、膜和有必要的硬件。用于燃料电池的不同部分的材料类型不同。双极板可以不同类型的材料制造，如金属、表面包覆的金属、石墨、柔性石墨C–C复合，carbon–polymer复合材料等。膜电极元件（多边环境协定MEA），被称为心的质子交换膜燃料和通常使夹在两个催化剂涂层碳论文的质子交换膜。贵金属元素铂或类似类型通常作为催化剂在PEMFC中使用。另外，电解液可以是一种高分子膜。
质子交换膜燃料电池的议题
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价格。美国能源部的报告说，在2011年，80-kW的车用燃料电池系统的成本在量产（预计到每年50万台）中的价格是每千瓦49美元。[15]目标价格是每千瓦35美元。约20年期间相比的斜坡那样成本降低是必要的，以使质子交换膜燃料电池可与目前市场上的技术竞争，包括汽油内燃机。[16]
水和空气的管理[17]（在PEMFC电池）。在这种类型的燃料电池，膜必须是水化的，需要以它产生的水的完全相同的速率来蒸发掉水。
温度的管理。
某些种类的电池要求的持续性，服务寿命（英语：service life）或者特殊要求。
一些（非-PEDOT）阴极只有有限的一氧化碳容忍能力。
高温燃料电池
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固体氧化物燃料电池（SOFC）
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固体氧化物燃料电池（英语：Solid Oxide Fuel Cell，缩写：SOFC）由用氧化钇稳定氧化锆（YSZ，<15μm）那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极/电解质界面被还原形成氧离子，在空气燃料之间氧的分差作用下，在电解质中向燃料极侧移动，在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳的中间氧化产物反应，生成水蒸气或二氧化碳，放出电子。电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。由于电池本体的构成材料全部是固体，可以不必像其他燃料电池那样制造成平面形状，而是常常制造成圆筒型。
SOFC的特点如下：
由于是在高温下运作（800-1000℃），通过设置底面循环，可以获得超过60%效率的高效发电，使用寿命预期可以超过40000~80000小时。
由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用CO、天然气、煤气化的气体作为燃料。[18]
SOFC系统的化学反应可以表达如下：[19]
阳极反应：2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−
阴极反应：O2 + 4e– → 2O2−
整体电池反应：2H2 + O2 → 2H2O
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
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熔融碳酸盐燃料电池（英语：Molten Carbonate Fuel Cell，缩写：MCFC）要求650°C（1,200°F）高温，类似于SOFC。MCFC以熔融碱金属碳酸盐作电解质，并在高温下，这种盐变为熔化态允许电荷（负碳酸根离子）的在电池中移动。[20]
用于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）系统中的化学反应可表示如下：[21]
阳极反应：CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e−
阴极反应：CO2 + ½O2 + 2e− → CO32−
整体反应：H2 + ½O2 → H2O
如同固体氧化物燃料电池（SOFC），熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的缺点包括缓慢的启动时间，是因为它们的运行温度高。这使熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）系统不适合移动应用，而这项技术将最有可能被用于固定式燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池技术的主要挑战是电池的寿命短。高温和碳酸盐电解质导致在阳极和阴极的腐蚀。这些因素加速MCFC元件的分解，从而降低耐久性和电池寿命。研究人员正在通过探索耐腐蚀材料部件，以及可以增加电池寿命而不降低性能的燃料电池的设计，来解决这个问题。[18]
碱性燃料电池（AFC）
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碱性燃料电池（alkaline fuel cell, AFC）是一种燃料电池，由法兰西斯·汤玛士·培根（Francis Thomas Bacon）所发明，以碳为电极，并使用氢氧化钾为电解质，操作温度约为摄氏100~250度（最新的碱性燃料电池操作温度约为摄氏23~70度）。NASA早在1960年时便开始将它运用在航天飞机及人造卫星上，包括著名的阿波罗计划也使用这种燃料电池。AFC的电能转换效率为所有燃料电池中最高的，最高可达70%。
4种主要燃料电池的比较
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从21世纪初到现在，4种主要燃料电池的研究开发进展比较如下：[22]
4方式的比较
PEMFC固体高分子
PAFC磷酸
MCFC熔融碳酸盐
SOFC固体氧化物
电解质
电解质材料
交换膜
磷酸盐
碳酸锂，碳酸钠，碳酸
比如稳定氧化锆
移动离子
H+
H+
CO32-
O2-
使用模式
膜
在基质中浸渍
在基质中浸渍、或粘贴
薄膜、薄板
反应
催化剂
铂
铂
无
无
阳极
H2→2H++2e-
H2→2H++2e-
H2+CO32-→H2O+CO2+2e-
H2+O2-→H2O+2e-
阴极
1
2
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}
O2+2H++2e-→H2O
1
2
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}
O2+2H++2e-→H2O
1
2
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}
O2+CO2+2e-→CO32-
1
2
{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}
O2+2e-→O2-
运行温度（℃）
80-100
190-200
600-700
700-1,000
燃料
氢
氢
氢、一氧化碳
氢、一氧化碳
发电效率（%）
30-40
40-45
50-65
50-70
设想发电能力
数W-数十kW
100-数百kW
250kW-数MW
数kW-数十MW
设想用途
手机、家庭电源、汽车
发电
发电
家庭电源、发电
开发状况
家庭用实用化、汽车2015年预计实用化
废水处理厂、医院、应急电源
家庭用实用化、大型定制在开发中