燃料電池とは、水素（H₂）と酸素（O₂）を化学反応させて、直接「電気」を発電する装置です。蓄電池のように充電した電気をためておくものでも、発電機のように燃焼によって得られるエネルギーを電気に変換するものでもありません。

燃料電池の発電は、水（H₂O）の電気分解の逆の仕組みです。水の電気分解では、電解液に電圧をかけることにより、水の水素イオン（H⁺）に電子（e^-）が与えられて水素になり、また水酸化物イオン（OH^-）からは電子が奪われて酸素と水になります。

一方、燃料電池は、電解液の中に水素ガスを送ります。ガスはマイナス電極で水素イオンと電子に分離。水素イオンは電解液の電解質層中を伝ってプラス電極へ移動し、同時に電子は回路を通ってプラス電極へ流れます。こうして電流が発生するのです。

またこのとき、プラス電極は、外から送られた酸素が回路から流れてきた電子を受け取り、酸素イオン(O₂^-)になります。そして電解液中の水素イオンと酸素イオンは結合して水になります。

燃料電池は、このような仕組みで電気を発生させるため、発電時に二酸化炭素（CO₂）が発生せず、クリーンな発電装置として注目を集めているのです。

燃料電池の最大の特徴は、発電時に二酸化炭素を排出しないことです。排出されるのは水のみであるため、発電に伴う環境負荷が低く、クリーンなエネルギーとされています。

2015年に合意されたパリ協定を受け、日本では二酸化炭素を含む温室効果ガスの排出量を2030年までに、2013年度比で26％削減することを目標と定めました。しかし日本では、発電の70％以上を天然ガスや石炭、石油による火力発電に頼っており、発電に伴って排出される二酸化炭素の量も多くなっています。太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの開発や導入も進められてはいますが、気候に左右されるため安定的な供給が難しいのが課題です。

これまで多く使われてきた火力発電などの発電機では、燃料を燃焼して発生した熱エネルギーを利用して水を加熱し、水が水蒸気になる際のエネルギーを利用してタービンを回して電力を得ていました。大規模な発電を安定して行えるのはメリットですが、エネルギーロスが多いことや、設備が大規模化しやすいなどのデメリットがありました。

一方、燃料電池は発電機と比べ、発電時に発生する音や振動が少ないことや、短期間で設置できるなどの特徴があります。水力や火力、原子力による発電とは異なり、小規模な施設で発電できます。このような発電は分散型電源とよばれ、エネルギーの地産地消による送電ロスの低減効果や地域経済活性化などの効果などの効果も見込まれています。

燃料電池は発電時に熱を発しますが、排熱を利用して温水を作るなど、エネルギーの二次利用ができるのも大きな利点です。燃料電池に使用する水素ガスを作る際には二酸化炭素を排出しますが、火力発電などと比較すると発電量あたりの二酸化炭素の排出量は少なくなります。

燃料電池は発電方式によりいくつかの種類に分けられており、発電量や適応する用途などが分かれています。ここでは、特に多く実用化されている4種類を紹介します。