燃料動力電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料動力電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料動力電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料動力電池就能持續地發電。這里以氫-氧燃料動力電池為例來說明燃料動力電池

氫-氧燃料動力電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2e-

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

電池反應：H2+1/2O2==H2O

另外，只有燃料動力電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

燃料動力電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的用途是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

在實用的燃料動力電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發生的反應為：

燃料極：H2==2H++2e-（1）

空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）

全體：H2+1/2O2==H2O（3）

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e-經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能出現，由此減少了轉換成電能的比例。引起這些反應的一組電池稱為組件，出現的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。

PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是關于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。

磷酸燃料動力電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的用途迅速出現電能和熱能。

相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料動力電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為重要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。