质子交换膜燃料电池
这项技术是由通用电气公司在20世纪50年代发明的，并被美国宇航局用于为双子座太空项目提供电力。它现在是最受汽车公司青睐的燃料电池类型，作为内燃机的替代品。PEM燃料电池又称聚合物电解质膜、固体聚合物电解质和聚合物电解质燃料电池。
在PEM燃料电池中，电解质是一层薄薄的聚合物膜(如聚[全氟磺酸]酸，Nafion™，它对质子是可渗透的，但不传导电子，电极通常由碳制成。氢流到燃料电池的阳极上，分裂成氢离子(质子)和电子。氢离子通过电解液渗透到阴极，而电子通过外部电路并提供能量。氧气，以空气的形式，被供应到阴极，它与电子和氢离子结合产生水。这些在电极上的反应如下:
阳极:2小时2→4 h++ 4 e-
阴极:阿2+ 4 h++ 4 e-→2 h2O
总体:2 h2+ O2→2 h2O +能量
PEM电池在80°C左右的温度下工作。在这种低温下，电化学反应通常会发生得非常缓慢，所以它们是由每个电极上的一层薄薄的铂催化的。
这种电极/电解质单元被称为膜电极组件(MEA)，它被夹在两个场流板之间，形成一个燃料电池。这些板上有凹槽，可以将燃料输送到电极上，也可以将电子引导出组件。每个电池产生约0.7伏特的电力，大约足以运行一个灯泡，而开动一辆汽车需要约300伏特。为了产生更高的电压，许多单独的电池被串联起来形成一个称为燃料电池堆的结构。
PEM燃料电池具有许多特性，使其成为汽车应用和小型家用应用(如可充电电池的替代品)的理想选择。它们在相对较低的温度下工作，这使得它们能够从寒冷中迅速启动，并且具有较高的功率密度，这使得它们相对紧凑。此外，PEM电池工作效率高，产生约40- 50%的最大理论电压，并可以快速改变其输出以满足电力需求的变化。
目前，能够生产50千瓦的示范机组正在运行，生产250千瓦的机组正在开发中。然而，在这项技术变得更广泛之前，仍有许多障碍需要克服。主要的问题是成本，因为膜材料和催化剂都很昂贵，但正在进行的研究和开发正在不断降低成本，一旦这些电池大规模生产，规模经济将开始发挥作用。
PEM电池的另一个缺点是，它们需要纯氢来运行，因为它们很容易被一氧化碳和其他杂质中毒。这主要是由于电池的工作温度较低，需要使用高灵敏度的催化剂。此外，研究人员正在进行生产更耐受性的催化剂系统以及能够在更高温度下工作的膜的工作。
碱性燃料电池
碱性燃料电池是最先进的技术之一，已被用于为太空任务提供电力和饮用水，包括美国航天飞机。
碱燃料电池的设计类似于PEM电池，但使用水溶液或稳定的氢氧化钾基质作为电解质。电化学在羟基离子(OH-)从阴极迁移到阳极，在那里它们与氢反应产生水和电子。这些电子被用来为外部电路供电，然后返回阴极，在那里它们与氧和水反应产生更多的羟基离子。
阳极反应:2H2+ 4哦-→4 h2O + 4e-
阴极反应:O2+ 2 h2O + 4e-→4哦-
碱性电池的工作温度与PEM电池相似(约80°C)，因此启动速度快，但其功率密度比PEM电池低10倍左右，因此体积太大，不适用于汽车发动机。然而，它们是制造成本最低的燃料电池，因此有可能用于小型固定式发电机组。与PEM电池一样，碱性燃料电池对一氧化碳和其他杂质极其敏感，这些杂质会毒害催化剂。此外，原料必须不含二氧化碳，因为二氧化碳与氢氧化钾电解质反应形成碳酸钾，从而抑制电池性能。
磷酸燃料电池
磷酸燃料电池是目前商业上最先进的燃料电池技术。顾名思义，这些电池使用液态磷酸作为电解质，通常包含在硅碳化物基质中。磷酸电池的工作温度略高于PEM或碱性燃料电池(约150至200°C)，但仍需要电极上的铂催化剂来促进反应性。阳极和阴极反应与PEM燃料电池相同，但由于工作温度较高，阴极反应速度较快。
这种升高的温度也赋予了对杂质稍高的耐受性，磷酸电池可以在反应物流中1- 2%的一氧化碳和几ppm的硫下工作。
磷酸电池的效率比其他燃料电池系统低，约为40%，而且这些系统的预热时间也比PEM电池长。尽管存在这些缺点，但该技术仍有许多优点，包括结构简单，稳定性和电解质挥发性低。磷电池已被用于为公共汽车提供动力，其中一些单元正在运行，但这些电池不太可能用于私人车辆。然而，在过去的20年里，大量的研究工作已经导致磷酸电池被成功地开发用于固定应用。目前，世界各地安装了许多输出功率在0.2-20MW之间的工作机组，为医院、学校和小型发电站提供电力。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
熔融碳酸盐燃料电池的工作原理与目前讨论的完全不同。这些电池使用熔融的钾锂或碳酸锂盐作为电解质。当加热到650°C左右时，这些盐融化并产生碳酸盐离子，这些离子从阴极流到阳极，在那里它们与氢结合，形成水、二氧化碳和电子。这些电子通过外部电路返回阴极，在此过程中产生能量。
阳极反应:CO3.2 -+ H2→H2O + co2+ 2 e-
阴极反应:CO2+ 1/2O2+ 2 e-→公司3.2 -
这些电池工作的高温意味着它们能够在内部改造碳氢化合物，如天然气和石油，在燃料电池结构中产生氢气。在这样的高温下，一氧化碳中毒是没有问题的，尽管硫仍然是一个问题，而且铂催化剂可以被更便宜的镍催化剂所取代。产生的多余热量也可以被利用并用于热电厂。这些燃料电池的工作效率最高可达60%，如果利用废热，效率可能会提高到80%。
然而，高温确实带来了一些问题。电池需要相当长的时间才能达到工作温度，这使得它们不适合运输应用，而电解质的温度和腐蚀性可能意味着它们不适合家庭发电。高发电效率意味着它们对大规模工业过程和发电涡轮机的使用具有吸引力。目前的示范电池已经产生了高达2兆瓦的容量，但高达50和100兆瓦的设计还在图纸上。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池的工作温度甚至高于熔融碳酸盐电池。他们使用固体陶瓷电解质，如氧化锆与氧化钇稳定，而不是液体，并在800 - 1000°C工作。
在这些燃料电池中，能量是通过氧阴离子从阴极迁移到阳极氧化燃料气体而产生的，燃料气体通常是氢气和一氧化碳的混合物。在阳极产生的电子通过外部电路回到阴极，在那里它们减少进入的氧气，从而完成循环。
| 阳极反应: | H2+ O2-→H2O + 2e- |
| Co + o2-→O2+ 2 e- | |
| 阴极反应: | O2+ 4 e-→2 o2- |
与熔融碳酸盐燃料电池一样，高温意味着这些电池可以抵抗一氧化碳中毒，因为一氧化碳很容易氧化为二氧化碳，如上图所示。这样就不需要外部重整来从燃料中提取氢气，这些电池可以再次直接使用石油或天然气。固体氧化物燃料电池也表现出迄今为止所有技术中对硫污染的最高耐受性。由于使用固体电解质，这些电池比mcfc更稳定，但用于容纳产生的高温的建筑材料往往更昂贵。
这些电池的效率可以达到60%左右，预计将用于工业发电和供热，并有可能为车辆提供辅助动力。
直接甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池是PEM燃料电池的一种变体，PEM燃料电池直接使用甲醇，无需事先进行重整。甲醇在阳极被转化为二氧化碳和氢气。然后氢气继续与氧气反应，就像标准的PEM燃料电池一样。
阳极反应:CH3.哦+ H2O→co2+ 6 h++ 6 e-
阴极反应:3/2O2+ 6 h++ 6 e-→3 h2O
细胞反应:CH3.哦+ 3/2O2→公司2+ 2 h2O
这些电池的工作温度预计在120°C左右，略高于标准的PEM燃料电池，效率约为40%。缺点之一是甲醇低温转化为氢气和二氧化碳需要比传统PEM电池更多的铂催化剂。然而，增加的成本被使用液体燃料的便利性和无需重整装置也能运行的能力所抵消。直接甲醇燃料电池背后的技术仍处于发展的早期阶段，但它已经成功地为移动电话和笔记本电脑供电，这是未来几年的潜在目标终端用途。
再生燃料电池(RFC)
再生燃料电池的概念相对较新，但世界各地的许多研究小组正在研究。这项技术的工作原理与传统电池相同，即使用氢气和氧气来产生电力、热量和水。不同的是，再生细胞也进行逆向反应，即电解。燃料电池中产生的水被送入太阳能电解器，在那里它被分离成氢和氧的组成成分，然后反馈给燃料电池。这样就形成了一个不需要外部产生氢气的封闭系统。商业系统的发展还有一段路要走，还有许多问题需要解决，包括成本和完善可靠的利用太阳能的方法。