虽然未来可能直接利用太阳能、风能等绿色能源制取氢气，但在前期氢能源的普及过程中，还会大量使用并依赖化石燃料制氢的方式。
氢燃料电池，即使用氢气作为燃料，利用电解水的逆反应产生电能的一种燃料电池。其工作原理是将氢气送到电池的阳极板，通过催化剂的作用，氢原子变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子，其中氢离子通过电解质到达阴极板，而电子通过外部电路形成电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。因此，仅需不断给阳极板供应氢气并及时把水带走，氢燃料电池就可以不断提供电能。
优点：注氢时间短
一是易于获得、可再生。氢气来源极其广泛，氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84%。但氢分子在地球上不是以天然的气体存在，大部分氢结合氧存在水中。制氢的能源和燃料有多种来源，如天然气、煤、核能、太阳能、风能、生物燃料、地热等。
二是能量转换效率高。由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧过程，不会产生大量废气与废热。在各种发电方式中，传统火力发电效率在30%左右，远低于燃料电池平均的50%效率。而在汽车领域的应用中，燃料电池的效率可达60%，也高于目前汽车普遍使用的内燃机效率。氢燃料电池汽车百公里消耗氢气约1kg，换算成油耗约为3.5升/百公里。比起纯电动汽车来说，氢燃料电池汽车的续航里程更长，更能胜任长途出行。
三是加注氢气时间短。相比于纯电动车的充电时间来说，燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在3-5分钟左右。丰田Mirai的储氢罐可以储藏5kg氢气，续航里程为500公里，储氢罐充满时间只有3-5分钟。而特斯拉续航400km，快充状态20分钟充到80%，再过20分钟才能充满。目前锂电池技术支持的充电速度是氢燃料电池汽车的4倍以上。
四是排放物无污染。氢燃料电池的燃料为纯净无污染的氢气，相对其他燃料而言，排放物中不存在污染物，只有水，也不会对环境温度造成影响。
缺点：制氢有污染
一是氢气制备的高污染高能耗。目前制造氢气有两种常用方式：电解和甲烷转化。电解水系统的能量转化效率不高，只有80%；主流制氢方式是采用甲烷转化，美国95%的氢气通过这种方法来制造，但甲烷转化可能对环境产生更严重的影响，甲烷的温室效应是二氧化碳的86倍。在整个制氢技术中，越低碳的制氢方式，将越受到青睐，虽然未来可能直接利用太阳能、风能等绿色能源制取氢气，但在前期氢能源的普及过程中，还会大量使用并依赖化石燃料制氢的方式。
二是燃料电池催化剂成本高。燃料电池汽车使用的是质子交换膜电池（PEMFC），由于其使用昂贵的铂族金属作为催化剂，价格一直居高不下。丰田通过将铂金属镀到催化剂的表面，大幅度降低了铂金属的使用量。随着铂使用剂量逐步降低，燃料电池的成本下降很快。巴拉德动力系统已开发出第7代燃料电池电堆HD7，成本比上一代减少75%。根据美国能源部数据，2012年交通运输用燃料电池的成本为47美元/千瓦，比2002年下降了83%，且在逐年的下降中，成本价已接近美国能源部设定的2017年的目标价30美元/千瓦。目前还没有找到比铂金属更合适或者与铂金属相当的替代材料。
三是加氢站短缺、建设滞后。加氢站建设难也是制约燃料电池汽车发展的另一大因素。和充电桩不一样，建设加氢站的难度非常高，除了需要较大的空间外，还要做环评、安评等一系列工作。电动汽车充电站的费用在数十万到百万元人民币，但可借助现有电网系统进行电能传输。而加氢站的建设费用高达100-200万美元，主要由于氢气需要液态储存，氢气燃料站的主燃料箱需要保持-250°C的环境，同时氢气传输需要经历“液态-气态-液态”的过程：先在汽化塔内转化成气体，然后加压传输给更小的储罐进行液态储存。氢气储存技术的滞后，也限制了氢在交通工具上的大规模应用。美国能源部所有氢能研究经费中有50%用于氢气的储存。储氢罐是由碳纤维、玻璃、陶瓷等复合材料组成的薄壁容器，但目前生产成本仍较高。
产业化：商用刚起步
目前，世界范围内涉足燃料电池的汽车企业可以分为三类：一是丰田和宝马签订了合约，向其提供基础技术，宝马2015年发布了燃料电池原型车；二是日产与戴姆勒和福特合作，开发三家公司通用的系统，计划于2017年推出量产车；三是本田与通用合作，共同开发燃料电池汽车。
