燃料电池是一类能量转化装置，能够把燃料的电化学能转化为电能，因为其和电池显示，是电化学发电装置，所以称作燃料电池。采用氢气为燃料的燃料电池即为氢燃料电池。氢燃料电池能够理解为水电解成氢气以及氧气的逆反应。氢燃料电池的反应过程既清洁，又高效。氢燃料电池不受传统汽车发动机采用卡诺循环42%上下的热效率限制，效率能够达到超过六成。

氢燃料电池不像火箭，通过氢气以及氧气燃烧的剧烈反应产生动能，通过催化装置把氢气中的吉布斯自由能释放。吉布斯自由能是涉及熵以及焓等理论的电化学能。氢燃料电池的工作原理是，氢气通过电池的正极里面的催化剂（铂）分解成氢离子（也就是质子）以及电子。其中氢离子通过质子交换膜，到达负极以及氧气反应变成水以及热量，对应的电子从正极通过外电路流向负极产生电能。

氢燃料电池汽车，现在主要采用的是质子交换膜燃料电池技术。氢燃料电池汽车的系统组成通常涵盖燃料电池堆以及氢气储罐，还有汽车动力电池和燃料电池直流升压转换器，动力控制单元、动力电机。现在技术领先的燃料电池堆的功率密度在3.0kW/L，所以需要配合直流升压转换器以及汽车动力电池使用。进而让电压能够适配650伏的高压，驱动汽车动力电机。与此同时，和汽车动力电池需要电池管理系统BMS相似，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应有关的参数数值。为存储氢气，通常采用70Mpa高压液氢储罐。

现在有诸多汽车企业都推出了燃料电池的车型汽车，例如奔驰以及宝马，现代和本田、丰田。其中丰田汽车对于中低汽车里程的应用主要推出的是纯电动汽车，和中国的比亚迪以及宁德时代达成合作。丰田还致力于氢燃料电池汽车的研发，丰田氢燃料电池汽车车型Mirai的售价低至四十万量级。

丰田还推出了氢燃料电池大巴车。氢燃料电池汽车的优势是高效、清洁，但是许多问题尚待解决。