燃料電池とは、燃料である水素と酸化剤の化学エネルギーを一対の酸化還元反応によって電気に変換する電気化学電池である。 燃料電池が一般的な電池と異なる点は、化学反応を維持するために燃料と酸素（通常は空気）を継続的に供給する必要があることである。
一方、電池では化学エネルギーは、フロー電池を除き、通常はすでに電池内に存在する金属とそのイオンまたは酸化物から供給される。燃料電池は、燃料と酸素が供給される限り、連続して電気を生み出すことができる。
最初の燃料電池
最初の燃料電池は、1838年にウィリアム・グローブ卿によって発明された。
燃料電池が実用化されたのはそれから1世紀以上後の1932年、フランシス・トーマス・ベーコンによる水素-酸素型燃料電池の発明がきっかけである。
このアルカリ燃料電池は、発明者の名前をとって「ベーコン燃料電池」とも呼ばれ、1960年代半ばからNASAの宇宙開発プログラムで人工衛星や宇宙カプセルの発電に使用されてきた。
それ以来、燃料電池は他の多くの用途にも使用されている。
燃料電池は、商業施設、工業施設、住宅、遠隔地やアクセスできない場所での一次電源やバックアップ電源として使用されています。
また、フォークリフト、自動車、バス、ボート、オートバイ、潜水艦などの燃料電池車にも使用されています。
燃料電池には多くの種類があるが、いずれもアノード、カソード、そしてイオン（多くの場合、正電荷の水素イオン（プロトン））を移動させるための電解質で構成されている。
アノードでは、触媒によって燃料が酸化反応を起こし、イオン（多くは正電荷の水素イオン）と電子が生成される。
イオンは、アノードから電解質を介してカソードに移動する。
同時に、電子は外部回路を介して陽極から陰極に流れ、直流電力が発生する。
陰極では、別の触媒によってイオン、電子、酸素が反応し、水やその他の製品が生成される。
燃料電池は、使用する電解質の種類によって分類され、起動時間の違いによって、プロトン交換膜型燃料電池（PEM燃料電池）は1秒、固体酸化物型燃料電池（SOFC）は10分となる。
関連する技術として、充電することで燃料が再生されるフロー電池がある。
燃料電池の発電量は約0.7ボルトと比較的小さいため、用途に応じて十分な電圧を得るためには、燃料電池を「積み重ねる」か「直列に配置する」必要がある。
燃料電池のエネルギー効率は一般的に40〜60％だが、コージェネレーション方式で廃熱を回収すれば、最大85％の効率を得ることができる。
燃料電池市場は成長しており、2013年のパイクリサーチ社の予測では、定置用燃料電池市場は2020年までに50GWに達するとされている。
主要な燃料電池の効率
エネルギーを変換するシステムやデバイスのエネルギー効率は、投入されたエネルギーの総量（「入力エネルギー」）に対するシステムが出力する有用なエネルギーの量（「出力エネルギー」）の比率、または入力エネルギーの総量に対する有用な出力エネルギーの割合で測定される。
燃料電池の場合、有用な出力エネルギーは、システムが生み出す電気エネルギーで測定される。
入力エネルギーとは、燃料に蓄えられたエネルギーのことである。
米国エネルギー省によると、燃料電池のエネルギー効率は一般的に40〜60％である。
例えば、一般的な自動車の内燃機関のエネルギー効率は約25％である。
熱電併給（CHP）システムでは、燃料電池で生成された熱を回収して利用することで、システムの効率を85〜90％まで高めることができる。
どのような種類の発電システムであっても、理論上の最大効率に達することは実際にはなく、燃料の生産、輸送、貯蔵、電気の機械的動力への変換など、発電における他のステップは考慮されていません。
しかし、この計算によって異なるタイプの発電を比較することができる。
燃料電池の理論上の最大エネルギー効率は、低出力密度で動作し、純粋な水素と酸素を反応物として使用した場合（熱の再利用がないと仮定した場合）83％である。
世界エネルギー協議会によると、これは内燃機関の理論上の最大効率58％と比較している。
燃料電池車のタンク-ホイール間効率は、低負荷時には45％以上となり、NEDC（New European Driving Cycle）のような走行サイクルでテストを行うと、平均で約36％となる。
2008年には、ホンダが燃料電池電気自動車（Honda FCX Clarity）を発表し、タンク-ホイール間の効率を60％とする燃料スタックを搭載した実証実験を行っている。
燃料の生産、輸送、貯蔵による損失
圧縮水素で走行する燃料電池車は、水素が高圧ガスとして貯蔵されている場合は22％、液体水素として貯蔵されている場合は17％のパワープラント・ツー・ホイール効率が得られる可能性がある。
燃料電池は、水素以外のエネルギーをバッテリーのように貯蔵することはできないが、太陽光や風力などの不連続な電源を利用した独立型発電所などの一部の用途では、電解槽や蓄電システムと組み合わせてエネルギー貯蔵システムを構成する。
2019年時点で、水素の90％は石油精製、化学薬品、肥料の生産に使用されており、水素の98％は二酸化炭素を排出するメタンの水蒸気改質によって製造されている。
純粋な水素と純粋な酸素を使用するこのようなプラントの総合的な効率（電気から水素へ、そして電気に戻る）（往復効率と呼ばれる）は、ガス密度やその他の条件に応じて「35から50％」になることがある。
電解槽・燃料電池システムは不定量の水素を貯蔵することができるため、長期貯蔵に適している。
燃料電池の実用性と効率
固体酸化物形燃料電池は、酸素と水素の再結合で熱を発生させる。
セラミックは摂氏800度の高温で作動することができる。この熱を回収して、マイクロ熱電併給（m-CHP）アプリケーションで水を温めることができます。
熱を回収した場合、ユニットの総合効率は80〜90％に達しますが、生産や流通の損失は考慮されていません。CHPユニットは現在、欧州の家庭用市場に向けて開発されています。
ジェレミー・P・マイヤーズ教授は、2008年の電気化学学会誌「インターフェイス」で、「燃料電池は内燃機関に比べれば効率的だが、主に酸素還元反応（水の電気分解で水素を生成する場合は、酸素発生反応）の非効率性により、電池ほど効率的ではない」と書いている。
系統から切り離された状態で運用する場合や、燃料を継続的に供給できる場合には、最も理にかなっていると言えます。
倉庫のような密閉された空間のように、ゼロエミッションが要求され、水素が許容可能な反応物質と考えられるような、頻繁で比較的迅速な起動が必要なアプリケーションにとって、（バッテリー交換が不便な場合には）PEM燃料電池はますます魅力的な選択肢になってきている。
2013年、軍の組織は、燃料電池が兵士が携行するバッテリーの重量を大幅に削減できるかどうかを評価していた。