理論上，能燃燒產生能量的物質基本都能用做燃料電池的燃料；在漫長的實驗和可行性研究中，大致以下物質是人們心目中理想能用做燃料電池的燃料：有氫氣（H2）、甲醇（CH3OH）、汽油和其他類型的碳氫化合物。燃料電池的工作原理如圖所示；下面就常見的幾種物質，進行簡單的敘述：

1.氫氣（H2）

氫氣（H2）是燃料電池最佳燃料，直接使用氫可以使燃料電池輔助系統大大簡化，效率提高，排放為零。但目前氫的制取工藝較復雜，成本也較高，如果利用以鹽為原料制取氯堿時所產生的氫氣，可以降低費用。

2.甲醇（CH3OH）

甲醇是燃料電池的一種主要燃料，最常采用和最廉價的是用天然氣作為原料來生產甲醇。天然氣的儲存、保管、充加、攜帶和運輸都很不方便，將其轉化為液體甲醇后，儲存、保管、充加、攜帶和運輸就要比氫氣方便多了。甲醇的能量密度（Wh/L）較大，高純度的甲醇具有單一的成分，可以在較低的溫度條件下進行重整，使重整工藝簡化，從而簡化燃料處理的工藝和設備。但在輕型和微型FCEV上，由于目前重整系統設備體積和質量都很大，顯著地降低了采用燃料電池地可行性。

3.汽油

汽油作為汽車地燃料已有100多年歷史，但作為內燃機汽車地燃料，汽油熱量轉換為汽車驅動力的效率僅為11％左右。如果將汽油重整為氫氣供燃料電池作為燃料，再經過傳動系統驅動FCEV，汽油熱量轉換為汽車驅動力的效率可以達到34％左右，幾乎超過三倍。

4.其他種類的燃料

除常用的氫和甲醇燃料外，美國賓西法尼亞大學再試驗用甲醇以外的碳氫化合物（甲烷等）作為燃料電池的燃料，但它們在化學反應過程中容易在鎳正極上產生積碳和一些聚合物。經過改用銅和陶瓷混合物燒結的正極后有效地解決了正極上產生積碳和一些聚合物的問題，使得甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等碳氫化合物為燃料電池的最佳燃料之一。

福特汽車公司也正在試驗用汽油、柴油經過重整轉化為氫后作為燃料電池的燃料。國際燃料電池公司與日本東芝（Toshiba）公司共同研發以汽油為燃料的燃料電池，同時還參加美國能源部50kW的IFC和PEMFC的汽油燃料電池系統的研究和開發。