离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。
同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。
电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。
当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。
阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。
电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。
为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。
燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。
其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。
不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。
而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。
因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。
电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。
以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池。
氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。
电极应为：负极：H2+2OH-→2H2O+2e-
正极：12O2+H2O+2e-→2OH-
电池反应：H2+12O2==H2O
另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。
在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：
燃料极：H2==2H++2e-（1）
空气极：2H++12O2+2e-==H2O（2）
全体：H2+12O2==H2O（3）
在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。
e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。
一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。
并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。