燃料電池並非蓄電的裝置，而是一種發電機，藉由電化學反應，
自化學能直接產生電能。相對的，傳統的熱機發電係由石油或天然氣 等化石燃料產生電之機械或系統，可以說是將化石燃料具有的化學能 轉換成電能的設備。換言之，由化學能→熱能→機械能→電能之幾個 階段的能量轉換過程產生電。因此，傳統的熱機發電必須先將燃料之 化學能燃燒轉換成熱能，再利用熱能製造出高壓高溫的水蒸氣來推動 渦輪機作功，使熱能轉換為機械能，最後再將機械能轉換為電能。在 這一連串的能量轉換過程中，不僅會產生噪音與造成汙染，同時由熱 力學第二定律可知，在每一次的能量轉換過程中會造成損失而降低發 電效率。 相較之下， 燃料電池發電是直接將燃料的化學能轉換成電 能，因此，能量轉換的步驟較少、效率高，過程中不會產生污染，且 沒有轉動元件所以噪音低。
質子交換膜燃料電池主要結構包含有陽極（Anode）、電解質
（Electrolyte）和陰極（Cathode）三大部分，如圖 1-3。陽極和陰極 材料皆採用多孔性材質，陽極傳送氫氣，而陰極傳送氧氣，在電極上 發生電化學反應。其中反應產生的質子經由電解質而抵達陰極，而電 子則從陽極經外電路到達陰極形成迴路，且反應生成物水以及未完全 反應的氫氣與氧氣經由電極出口排出。
以質子交換膜燃料電池為例，其化學式如下:
陽極: H2 ⎯⎯→Pt 2H+ +2e− (1-1) 陰極: O2 +4H+ +4e− →2H2O (1-2)
總反應式: 2H2 +O2 →2H2O (1-3)
（En，Electromotive potential）。
自由能與理想電位數學關係式:
燃料電池的理想電壓為1.23V，但是隨著不同的操作電流密度，
會有不同的電池電位損失產生，造成電池壓無法維持理想電壓，如圖 1-4 所示，而這幾類電位損失可分為燃料穿越與內電流的損失、活化 過電位、歐姆過電位以及濃度過電位所造成損失。
(1) 燃料穿越與內電流 (Fuel crossover and internal currents)
當電池在操作過程中，由於質子交換膜的阻隔效果不良，或是使 用液態甲醇做為燃料時，特別容易發生，當陽極燃料進入陰極時，會 直接與氧氣產生燃燒反應，消耗燃料，恐有安全之虞，由於一個氫氣 分子可分解成為兩個電子，因此當氫氣從內部通過時即視為內電流通 過，而非實際上之電流。
(2) 活化過電位 (Activation overpotential)
在低電流密度時，反應速率慢，又同時需要有額外的能量克服活
(3) 歐姆過電位 (Ohmic overpotential)
當電流密度增大，電池在穩定的環境下操作時，此時電位損失的 主要來源為各個電池組件所造成的歐姆電阻，稱為歐姆過電位，這些 歐姆電阻的來源，還包括接觸電阻，因此在組裝上，會選擇薄、低阻 抗、組裝時提高扭力來改善。歐姆損失可表示如下：
ohmic
= IR
η
(1-9)I 為電池之操作電流密度，R 為系統之總歐姆電阻。
(4) 濃度過電位 (Concentration overpotential)
最後，當電池在高電流密度下操作時，由於反應速率快，外界所