Ogniwa paliwowe (fuel cells) to urządzenia, które energię chemiczną paliwa i utleniacza zamieniają bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów (powodujących powstawanie dziury ozonowej) oraz tlenków węgla.

Takie wytwarzanie energii elektrycznej jest już dobrze znane, gdyż zachodzi również w ogniwach galwanicznych pierwotnych (jednorazowego użytku, potocznie zwanych bateriami) oraz ogniwach galwanicznych wtórnych (potocznie zwanych akumulatorami). Cechą wyróżniającą ogniwa paliwowe jest to, że substancje elektroaktywne (paliwo i utleniacz), które uczestniczą w reakcjach elektrodowych, dostarczane są z zewnątrz ogniwa. W tradycyjnych ogniwach jednorazowych, substancje te znajdują się wewnątrz urządzenia, co skutkuje tym, że po ich wyczerpaniu ogniwo nadaje się w najlepszym razie do recyklingu. W akumulatorach substancje elektroaktywne można "zregenerować" podczas ładowania, ale ilość takich cykli (ładowanie - rozładowanie) jest ograniczona żywotnością akumulatora. Ogniwo paliwowe teoretycznie więc powinno działać tak długo, jak długo dostarczamy do niego paliwo i utleniacz z zewnątrz, w praktyce natomiast degradacja, głównie korozja albo niesprawności poszczególnych komponentów ograniczają rzeczywisty czas życia ogniwa.

Jako urządzenie elektrochemiczne, ogniwo paliwowe nie podlega ograniczeniom wynikającym z zasady Carnot'a, która określa sprawność silnika cieplnego. Teoretycznie elektrochemiczne źródło energii elektrycznej, w którym zachodzące reakcje są w pełni odwracalne, mogłoy posiadać sprawność 100%. W rzeczywistości jednak sprawność takiego urządzenia jest niższa i waha się w zakresie od 40% do 80% w zależności od rodzaju ogniwa.

Aby reakcje elektrochemiczne zachodziły z odpowiednią ciągłością, elektrony muszą być stale wytwarzane na anodzie i dostarczane do katody. Konieczny jest również swobodny przepływ jonów pomiędzy elektrodami. W ogniwach paliwowych elektrony docierają do katody z pominięciem elektrolitu, poprzez zewnętrzny obwód elektryczny. Płynące w nim elektrony mogą wykonać pracę - ogniwo staje się źródłem siły elektromotorycznej. Z kolei jony wędrują pomiędzy elektrodami poprzez elektrolit. Elektrolit musi być więc dobrym przewodnikiem jonów i jednocześnie jak najsłabszym przewodnikiem elektronów - w przeciwnym razie elektrony płynęłyby przezeń z pominięciem zewnętrznego obwodu i ogniwo nie mogłoby funkcjonować.

We współczesnych ogniwach paliwowych najczęściej wykorzystywanym paliwem jest wodór (H₂), natomiast utleniaczem jest tlen (O₂) dostarczany do urządzenia w czystej postaci lub wraz z powietrzem atmosferycznym. Nie oznacza to jednak, że w ogniwach paliwowych nie wykorzystuje się innych paliw. Obecnie trwają intensywne badania nad ogniwami zasilanymi bezpośrednio metanolem CH₃OH i węglem (w różnych postaciach), paliwem może być również metan CH₄, kwas mrówkowy HCOOH, hydrazyna N₂H₄, a także amoniak NH₃.

Wodór jest najczęściej wybieranym paliwem w większości ogniw, w związku z jego wysoką reaktywnością w obecności odpowiednich katalizatorów, możliwością wyprodukowania go z węglowodorów oraz wysoką gęstością energii kiedy zgromadzony jest w postaci płynnej pod wysokim ciśnieniem w niskiej temperaturze. Niestety, choć wodór jest jednym z najpopularniejszych pierwiastków na Ziemi, występuje on głównie w związkach chemicznych, przede wszystkim jako woda. Można pozyskać wodór z wody w procesie elektrolizy, ale niestety w proces ten trzeba włożyć znaczną ilość energii. Poszukuje się zatem i próbuje wykorzystać inne źródła wodoru. Stosując dodatkowe urządzenia, można oddzielić i wykorzystać wodór zawarty w różnych substancjach, np. w metanie, metanolu, etanolu, węglowodorach, biogazie, itp. Interesująco zapowiada się możliwość wytwarzania wodoru z pomocą bakterii lub alg. Poza otrzymywaniem wodoru dodatkowy problem stanowi jego magazynowanie. Magazynowanie i transport wodoru wymaga uprzedniego sprężania do określonego ciśnienia lub sprowadzania do postaci ciekłej. Są to procesy bardzo energochłonne. Oznacza to, że użytkowanie wodoru w postaci gazowej lub ciekłej czyniłoby ogniwa paliwowe mało efektywne ze względu na uniwersalność zastosowania. Najbardziej popularnym utleniaczem stosowanym w ogniwach paliwowych jest tlen, który można tanio otrzymać z powietrza i łatwo zmagazynować.

Porównanie cech i parametrów pracy podstawowych typów ogniw paliwowych (ang.)

Badania naukowe i przemysłowe koncentrują się obecnie na:

• Doskonaleniu konstrukcji i technologii ogniw (nowe konstrukcje i rodzaje elektrod, nowe rozwiązania dla elektrolitów, poszukiwanie nowych katalizatorów, itd.),
• Poprawie sprawności procesów elektrochemicznych,
• Doskonaleniu procesów przygotowania paliwa,
• Możliwości zastosowania biomasy i paliw odpadowych (procesy zgazowania biomasy, odpadów, procesy oczyszczania gazów syntezowych),
• Zwiększeniu trwałości i żywotności ogniw,
• Budowie ogniw rewersyjnych (przygotowanie instalacji akumulacyjnych i współpraca z energetyką źródeł odnawialnych).

Do najważniejszych przyczyn intensywnego rozwoju technologii ogniw paliwowych, zalicza się, między innymi:

• Istotne zalety ekologiczne,
• Wysoką sprawność wytwarzania energii elektrycznej (powiększaną dodatkowo w układach skojarzonych),
• Dobrą jakość energii elektrycznej,
• Modułową budowę,
• dywersyfikację surowca energetycznego (z możliwością włączenia lokalnych źródeł energetycznych),
• możliwość wykorzystania ogniw w całym zakresie mocy elektrycznej (od W_e do MW_e) w różnorodnych zastosowaniach.