一次电池和二次电池都有其各自的优越性，但比起燃料电池来它们还是要逊色许多。燃料电池是借助于在电池内发生的燃烧反应将化学能直接转换为电能的装置。它不同于一次电池和二次电池，一次电池的活性物质利用完毕就不能再放电，二次电池在充电时也不能输出电能，而燃料电池只要不断地供给燃料，就像往炉膛里添加煤和油一样，它便能连续地输出电能。一次或二次电池与环境只有能量交换而没有物质的交换，是一个封闭的电化学系统，而燃料电池却是一个敞开的电化学系统，与环境既有能量的交换，又有物质的交换，因此它在化学电源中占有特别重要的地位。
燃料电池最早可以追溯到1839年英国人格罗夫所进行的实验。当时，他成功地进行了传统的电解水的逆反应，即在硫酸中插入两个铂电极，分别向两极供应氢气和氧气之后产生了电流，他还将这样的26个电池组成电池组，该装置产生的电流足以使另一个铂—硫酸系统中的水发生电解。1889年，英国人蒙德和兰格首先采用燃料电池这一名称。他们用上述装置获得了大约0.2A/cm2的电流密度，这已经可以和近代实验相媲美了。可是，以后的一段时间里，燃料电池并无进展，因为这时由机械能直接变为电能的发电机问世了，使得人们对燃料电池的兴趣差不多推迟了60年。从电化学本身来看，当时仅电化学热力学方面有所进展，而对电极反应动力学方面知之甚少，也使燃料电池难以发展。
最早达到实用功率水平的燃料电池是在20世纪50年代英国剑桥的贝肯用高压氢、氧气体制造了功率为5千瓦的燃料电池，其工作温度为150℃。随后建造了一个6千瓦的高压氢氧燃料电池的发电装置。进入20世纪60年代，该系统加以发展，成功地用来给阿波罗登月飞船提供电力。目前，燃料电池作为载人飞船的主电源进行短期飞行，已证明是可行的。美国的“天空实验室”和“哥伦比亚号”航天飞机、前苏联的“礼炮6号”轨道站均采用了燃料电池作为主电源。除了用于航天工业外，在地面实用燃料电池电站的研究中，几兆瓦级的磷酸燃料电池的发电装置已经研制成功，从几瓦到几千瓦的小功率燃料电池早已在潜艇、灯塔、无线电台等方面应用。现在人们又把电动汽车的动力寄希望于燃料电池。
短短的30年间，燃料电池经历了磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质三种类型电解质的发展阶段。然而，一切已有的燃料电池研究及应用情况都没有达到普遍的民用商业化程度，而为了达到这个目标尚需付出很大的努力，那么为什么许多国家仍然拨出巨资来发展燃料电池，它为什么具有这么大的吸引力呢？这是和燃料电池所具有的优点分不开的。
燃料电池最大的优点是能量转换效率高，它的转换效率比热机和火力发电的能量转换效率高。无论是热机还是它带动的发电机组，其效率都受到卡诺热机效率的限制，目前汽轮机或柴油机的热机效率最大值仅为40%～50%，当用热机带动发电机发电时其效率仅为35%～40%，燃料电池理论上的能量转换效率在100%。在实际应用时，考虑到综合利用能量时，其总效率有望在80%以上。
由于燃料电池需要不断地提供燃料和移走反应生成的水和热量，因此需要一个比较复杂的辅助系统。特别是如果燃料不是纯氢，而是含有杂质或简单的有机物时，就必须有净化装置或重整设备。同时还应考虑到能量综合利用的问题，体现这个问题的最典型的例子是氢氧燃料电池。
不仅氢氧燃料电池，其他反应物的燃料电池的标准电动势也可以通过热力学数据计算得出。许多燃料电池的温度系数是负值，即随着温度升高，电池电动势下降，但是，从动力学角度来看这是有利的。因为温度升高，加速了电化学反应，降低了活化超电势，同时，使电解质的电阻减小，使电池性能得到改善，所以燃料电池经常采用高温下工作或以熔盐作为电解质，以使电极反应和输运过程中的超电势大为减少。在通电时，电池电压依然相当好地接近可逆电动势。
氢在负极氧化是氢离解为氢原子进而丢失电子成为氢离子的过程，其他有机化合物燃料需催化裂化或重整获得氢而后在负极上氧化，所以负极氧化过程是析出氢气的逆过程，在燃料电池中氢电极亦称为燃料极。
氢的负极氧化过程远没有氢析出的还原过程研究得详细，但是依照动力学原理，对正反应过程具有催化作用的电极，必然也对逆反应过程具有催化作用，因此实际上析氢电极过程为氢离解电极过程提供了不少信息。
燃料电池中的超电势主要来自氧电极，其反应机理也较复杂。总体上来看，燃料电池将在21世纪得到推广。
新型化学电源
1锂电池
无论是出于民用需要还是出于军用需要，人们都迫切需要重量轻、体积小、性能高的电源系统。这必须要求电极电势最负的轻金属作为负极活性物质，而以电极电势较正的卤素和氧族元素或它们的化合物作为正极活性物质，因此形成了锂电池系列和钠电池系列。
锂是人们急于利用但又会带来诸多困难的一种电极材料。一直到20世纪50年代哈里斯指出：锂在丁丙酯等溶剂中是稳定的，锂盐在这些溶剂中的溶解度足以满足电池电导的需要，锂电池的研究这才真正开始了。
庆幸的是，现在我们已经能够对锂电池进行应用。锂电池的应用十分广泛，不仅在空间计划中使用，而且作为通讯设备、监视装置、电子器件的支持电源，医疗上的心脏起搏器以及高级石英手表等都已使用锂电池。
很多的人都认为，锂电池在贮存时由于锂自身的电极电势很强，即使采用非水无机电解质，也会与锂发生反应，产生自放电，贮存寿命大为降低。然而事实上锂电极却可以在这些溶剂中相对稳定存在，原因在哪里？现在普遍的看法是锂和溶剂反应后在电极表面生成了保护膜，这才使制造锂电池成为可能。这种保护膜不溶于有机或无机电解质，从而保证了锂电池的贮存寿命。现在认为锂电极的膜是由双层膜组成，紧靠着锂电极的是薄而致密的紧密层，它不能传导电子却具有固体离子晶体的性质，紧密层的外层又生长一层厚而多孔的松散层，这两层膜都对放电时电压滞后带来影响。
2.导电高聚物电池
如果在40年前，有人说高分子聚合物能够导电，那肯定没有人会相信，但是在1971年这一说变成了事实，日本的白川芙树用特殊催化剂制成聚乙炔，从此聚乙炔作为一种导电高分子吸引了众多的物理学家和化学家对它进行系统的研究。1981年，第一个聚乙炔电池面世，采用的是聚乙炔膜正极、锂片负极、LiClO4电解质和碳酸丙二酯为溶剂。
继聚乙炔之后，经研究其他共轭系统聚合物，又发现和制成了几十个可导电的品种，其中有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯和聚对亚苯乙烯等，电导率可达100～103 S/cm数量级，这些聚合物的环境和化学稳定性比聚乙炔优越得多，从聚合物电池的性能数据看，其电池电动势、电极寿命、放电效率都较高，自放电较低，已经达到或接近实用要求，其质量比能量已超过铅酸蓄电池、镉镍电池等。
导电聚合物为何会有与金属相媲美的导电率？这是由于其特殊的载流子所造成的。我们知道，金属靠电子导电，其导电活化能约为10-2eV数量级；半导体是依靠空穴和电子作为载体，其导电活化能较金属大两个数量级左右；作为导电高聚物与传统的金属或半导体的三维结构有根本的区别，导电聚合物必须用“一维晶格”结构模型来近似。
理论已证明，由于价电子与晶格原子核之间的相互作用，使得等间距的晶格发生畸变，单双键交替结构的分子链变成A相或B相分子链段，而在其结色素增感型太阳能电池合部的局域化状态称为孤子，生成能仅约04eV，有效质量是电子的6倍，运动活化能仅0.002eV。孤子在分子链上运动时，类似于运动流体中驻波，不改变自己的形状。也可以把孤子看成分子链长短键交替结构的一种激发态，它既有波动性，又有粒子性，既容易产生，又容易运动，正是这种特殊的结构和电荷传递的方式形成了导电聚合物。
3.液结光伏电池
在所有的能源中，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源，它既清洁又廉价，但是人类现在对太阳能的利用却十分有限。采用半导体的固结原理制成的固结太阳能电池，由于其要求半导体纯度很高，而光能转换效率尚不尽如人意，只能在特殊场合使用。假如把比较容易制备的半导体电极插入电解质溶液，在光激发下半导体产生光生空穴或光生电子，与电解质溶液中的离子发生电化学反应而产生电能或转化为其他形式能量，将使光电化学效应在利用太阳能上有所作为。
法国人贝克勒尔早在1839年就在实验中观察到光电化学效应，但光电化学引起充分重视并得到迅速发展只是近几十年的事，除了建立起理论的半导体/电解质溶液的简单模型，进行了大量的光电极和电解质溶液的选择，最有价值的实验当属1972年日本人藤岛昭和本田进行的光助电解水获得氢气的实验。
在溶液中电解水理论上需要施加1.23伏特的外压，而采用半导体TiO2光电极加以光照后，根据使用的电极材料和电解质的不同，仅需0.3～1V的外压，“免费”利用阳光，节省电能又获得氢能，给光电化学效应的实际应用带来了希望。由于光电化学电池对电极材料的要求并不像固体太阳电池那样严格，甚至多晶半导体也可使用，大大降低成本，因此，尽管目前还存在电极材料的稳定性不高、太阳能转换效率普遍较低等困难，但其前景是比较乐观的。
