氢能源燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
氢能源燃料电池对环境无污染，它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式，最典型的传统后备电源方案，燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
事实上，氢燃料电池的历史非常早。第一块燃料电池是1845年由英国科学家威廉 · 格罗夫制造的，制造时间是道光二十五年。他证明了在一定条件下，氢和氧的结合会产生电流，就像产生水一样。
当然，他是站在巨人的肩膀上的。此前70年，卡文迪许就研讨了氢气加氧气酿成水的进程；此前50年，尼克尔森（William Nicolson）就研讨了方才水人进程的逆反应，也便是电解水生成氢气和氧气。威廉·格罗夫的成就是发现氢和氧不需要火焰就可以制造水，而且在这个过程中会产生电流。
给燃料动力电池的负极材料提供一个氢气，正极进行提供大量氧气，然后在正负极相互之间加一层膜。在催化剂的作用下，氢原子外层的电子会游离出来，变成独立电子+氢离子。而那层膜是非常特殊的，只有两个氢离子结合才可以同时通过，而电子则会被阻挡在膜外。由于存在氢离子实际上我们就是一种质子，所以那层膜也叫“质子交换膜”。
由于电子是通不过这层膜的，所以他们会在膜的一边越聚越多。如果在电子聚集的地方接一根导线，通到正极，电子就会在工作电压的驱使下嗖嗖嗖地跑过去。而这，就是提高电池在输出控制电流。
透过膜的质子与正氧反应生成水并放出热量。这些都是氢燃料电池的副产品。由于一层膜左右两侧的压差比较小，通常我们只有0.5V-1.0V，所以只要把正负极夹着一层膜的结构可以叠加至几百层，就能不断得到发展需要的高电压。在这个电池里，是没有其他任何火焰会呈现的。不过，为了能够保证研究催化剂的活性，在电动车企业使用的燃料动力电池技术类型中，电池的工作环境温度在90摄氏度左右。其实，这比很多传统燃油汽车发动机的温度要低很多。
这个发展过程中，化学能转化为一种电能的效率最高可以达到80％，远比内燃机的40％高得多。当然，还有其他类型的氢燃料电池，不仅仅是质子交换膜，它们有不同的反应物和电解质。
比如航天用燃料电池的电解液就是氢氧化钾。以熔融硅酸盐、氧化锆和磷酸为电解质的氢燃料电池都用于发电站。这种用于氢燃料电动汽车的电池是一种相对较晚出现的新型氢燃料电池。
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