연료전지는 산화, 환원 반응을 통해서 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 발전장치이다. 연료전지는 수소를 연료로 산소를 산화제로 사용하고, 물이 유일한 부산물로 공해물질을 거의 배출하지 않으며, 기존의 발전기술에 비해 발전효율이 높아, 고효율, 친환경적 기술이라 할 수 있다. 전기화학에너지의 직접 변환에 의해 고효율(40% 이상), 고전력 밀도의 에너지를 생산하는 차세대 청정 발전장치로서, 촉매, 전해질막, 전극, 분리판, 패키징, 시스템 조합, 출력제어, BOP(Balance of Plant) 그리고 다양한 형태의 연료개질 기술을 접목시킨 차세대 고밀도 에너지 시스템이라 할 수 있다. 연료전지는 그 응용 분야가 다양해 향후 자동차, 선박, 항공기 등의 수송 부문과 발전소 등의 전력 부분, 그리고 휴대용 가전제품의 에너지 공급원으로도 활용이 가능하다. 연료전지는 전력밀도가 리튬 폴리머 전지의 3배 이상이므로 소비전력이 크고 사용기간이 긴 무선 어플리케이션의 상업화를 앞당길 수 있을 것이다. 이와 같이 연료전지는 에너지, 자동차, 전력, 전자 등 다양한 산업에서 급격한 변화를 초래할 것이며, 이를 장착하는 응용제품의 산업 및 시장 경쟁력을 크게 향상시키게 될 것이다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 SOFC, MCFC, PAFC, AFC, PEMFC로 나눌 수 있으며, 용도에 따라서는 크게 발전형, 수송용, 휴대용으로 나눌 수 있다. 발전형 전지는 대형, 분산형, 가정용으로 구분할 수 있으며, 수송용은 자동차용, 버스용, 우주선용, 잠수함용 등으로, 휴대용은 휴대폰용, 노트북용 등의 일반 소비자용 전원과 군사기기용, 우주선용, 휴대용 전력 등으로 구분할 수 있다. 연료전지는 그 종류에 따라 구조 및 발전원리, 구성기술들이 달라지므로, 이 보고서에서는 자동차 및 휴대용 전자기기 분야에서 주로 도입될 것으로 예상되는 고체 고분자 연료전지(PEMFC) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC)에 한정해 기술했다. 따라서 사업화 이슈, 모니터링 분야, 응용분야, 계량분석, 사업자 분석 등 시장 관련 분석에서는 PEMFC 및 DMFC의 주요 응용분야인 수송용과 휴대용으로 구분해 분석을 했다.
연료전지의 연료인 수소는 매우 비싸서 널리 활용되지 못하고 있다. 따라서 더 널리 사용할 수 있고 저장, 운송이 용이한 탄화수소들 예를 들어 메탄(천연 가스), 프로판, 가솔린, 디젤 또는 메탄올 등이 연료원으로 사용되는데, 수소를 생산하기 위해 이러한 연료를 개질하게 되면 부산물 즉, 이산화탄소가 발생하게 된다. 그러나 내연기관과 비교하면 연료전지의 전체 이산화탄소 배출량은 20~50% 이상 절감 된다. 연료전지는 두 전극(연료극, 공기극)과 이들 사이에 있는 전해질로 구성된다. 연료극(Anode)에 유입된 수소는 전극촉매에 의해 산화되어 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되며, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해, 전자는 외부회로를 통해 공기극(Cathode)으로 이동한 후, 공기극으로 유입된 산소와의 환원반응에 의해 물, 열과 전기에너지가 생성된다.