以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉變為電能的電池。
氫氧燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水。這時在氫電極上有多餘的電子而帶負電，在氧電極上由於缺少電子而帶正電。接通電路後，這一類似於燃燒的反應過程就能連續進行。當使用氫化鉀溶液作電解質時，在氫電極上的反應為
在氧電極上的反應為
若不考慮中性水中存在的低濃度的離子，那麼總的反應就可以用燃燒反應來表示：
氫氧燃料電池的關鍵是電極結構和排除反應過程中生成水的輔助設備。電極結構問題主要是選擇一種合適的催化劑，以使氫成為水合質子和氧成為氫氧根離子的反應能在盡可能低的過電位下有效地進行。已采用的電極材料可分為以金屬為基底和以碳為基底兩類。不論選擇何種材料和結構形式，電極中細孔的大小及其分佈是很重要的。在這些細孔裡，必須建立電極材料、氣體、電解液三者之間的三相界面，既不允許這些細孔被氣體“充斥”，也不允許被電解液“淹沒”。
氫氧燃料電池將化學能連續地轉變為電能的效率比普通火電站經由一般的燃燒反應產生熱能，再將生成的熱能轉變為電能的效率高得多。這是由於熱機的效率在理論上不能超過卡諾機的效率
，式中
T
1為高溫熱源的溫度，在普通
火電廠，
T
1即為鍋爐中蒸汽溫度；
T
2為低溫熱源的溫度，即為汽輪機排出的廢汽的溫度。由於摩擦和熱損失，熱機的效率實際上遠小於這一極限效率。氫氧燃料電池幾乎是在等溫條件下工作的，不存在化學能轉變為熱能的中間過程，因而它的效率不受卡諾機熱效率的限制，在理論上它可以達到100％的效率。
氫氧燃料電池結構簡單、轉換效率高、比能高、工作時無噪聲、無污染、有很強的過載能力，特別是其重量功率比隨時間的增加比一般二次電池慢得多，故很適於作宇宙飛船的電源。但由於它的電極材料必須使用對氫和氧氣具有很高的電催化活性的金屬鉑、鈀、鎳、銀，因此氫氧燃料電池的制造成本較高。