燃料電池可利用的燃料不只是氫，但本文以氫為例介紹其發電原理和構造。

兩邊最外側是極板（分離器），往里依次是墊片、觸媒電極，插在兩個觸媒電極中間的是氫離子交換膜。兩側分離器的作用是向觸媒電極分別供給燃料及氧氣，同時排出在觸媒電極上生成的水。分離器的材料必須具有導電性，用石墨板及金屬板制作，在板的兩側開有很多溝槽，使燃料、空氣、水在溝槽中流動，燃料氫從分離器擴散，到達相對的觸媒電極。觸媒電極板只有數十微米厚，板上涂布有炭粉，在炭粉中分散有數十埃大小粒度的貴金屬鉑粉粒，厚度是0.2～數mg/cm2。

在金屬鉑粉粒上，氫分子被分離為氫離子和電子，即H2鉑2H++2e，這個與燃料接觸的電極為燃料極，叫做陽極。在陽極生成的氫離子可以穿過氫離子交換膜，氫離子交換膜是數十微米厚的高分子材料，這個膜具有只傳導氫離子，不能傳導電子的性質。即只允許氫離子透過，不允許電子透過。

電極上的電子返流向分離器，傳給外部回路導體，通過外部回路再轉移到另一側的電極。電子移動產生電能，在電子通過的外部回路中接入電動機，電能就可以驅動電動機旋轉，電能轉換成了動能。在此，重要的是氫離子和電子傳遞的是不同的路徑。

氫離子和電子從不同的路徑到達同一電極，在這個電極上電子和氫離子與從外部供給的空氣中的氧反應生成水，即2H++2e+0.5O2→H2O，這個進行氧化反應的電極叫空氣極或陰極。由氧化反應產生的能量成為移動電子和氫離子的力。