기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지(수소와 공기 중의 산소를 반응시키고, 이때 발생하는 전기)를 이용한 차세대 친환경 자동차를 말한다. 친환경이라고 하는 것은 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 이산화탄소 등의 탄화수소물이 아닌 H2O(물)가 배출되기 때문이다.
 
수소연료전지차는 수소 공급방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 이 방식은 ▷압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식 ▷메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있다.

압축수소탱크/액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식으로 운행 시 발생하는 것은 물 뿐이라 완전 무공해이다. 다만 탱크 탑재로 인한 차량 부피 증대, 수소의 불안정성, 수소공급 인프라 구축의 어려움 등이 단점이다.

메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식으로 메탄올을 분해할 때 일산화탄소, 질소산화물 등이 발생하기는 하지만, 기존 화석연료 차량에 비해서는 훨씬 적다. 이 방식은 기존 연료공급 인프라를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

수소연료전지차의 핵심인 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 즉, 물을 전기분해 하면 양(+)극에서 산소가 생성되고 음(-)극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성된다. 
  

1. 수소탱크로부터 공급된 수소(H2)는 연료전지 스택(Stack)의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)로 분해된다. 
2. 분해된 수소이온(H⁺)은 전해질을 통해, 전자(e^-)는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동한다.
3. 외부로부터 공급받은 산소(O2)와 수소이온(H⁺), 전자(e^-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H2O)과 열을 발생시킨다. 
4. 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다. 

수소연료전지차에는 연료전지스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재돼 있다. 이 중 스택(Stack)은 일반적으로 수 백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점이다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체(MEA)와 분리막(Separate)으로 구성돼 있다. 이 중 MEA는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막, 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극인 양극(Anode, 공기극)과 음극(Cathode, 연료극)으로 나뉜다. 

 수소연료전지차는 공해물질이 거의 배출되지 않으므로 환경오염이 적으며, 적은 연료량으로도 먼거리 주행이 가능하다. 그러나 심한 차량 사고 시에는 수소가 폭발할 가능성이 있으며, 수소를 생성해 내는 데 있어 에너지 소모가 커 경제성이 단점으로 지적된다.
 
수소연료전지차와 전기차를 비교해 보면 수소연료전지차는 충전 시간이 5분 내외로 짧은 뿐더러 충전 후 이동거리도 길다. 그러나 생산 비용이 높고 차량 가격이 높다는 단점이 있다. 전기차는 수소차보다 훨씬 저렴하고, 충전 등 인프라도 상대적으로 구축돼 있다는 장점이 있다. 하지만 전기 충전 시 시간이 20~30분으로 비교적 길고, 주행 거리도 수소차보다 훨씬 짧다.

세계 최초로 수소연료전지 자동차를 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로, 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였다. 현재 다임러 크라이슬러, 포드, GM, 도요타, 현대 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 자동차 개발에 투자하고 있으며 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있다. 또 제너럴모터스(GM)는 2001년 가솔린 이용한 연료전지를 개발했으며, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 ‘북미 국제모터쇼’에서 연료전지 콘셉트카인 '오토노미(AUTOnomy)'를 공개해 눈길을 끌었다.  

우리나라에서는 현대에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 '싼타페 연료전지차'의 시범주행에 성공했으며, 2002년 9월 미국 캘리포니아 주에서 개최된 '2002 퓨얼셀 로드랠리'에서 다임러 클라이슬러ㆍ포드ㆍGMㆍ혼다 등 경쟁사 연료전지차와 함께 300마일 연속주행에 성공했다. 그리고 현대자동차는 2010년 3월 투싼ix를 제네바모터쇼에서 첫 선을 보인 후 2013년 3월 세계 최초로 수소차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출하였다.

정부가 2019년 1월 18일 발표한 ‘수소 경제 활성화 로드맵’에 따르면, 환경부는 친환경 자동차 구매보조금 지원 대상을 2018년 3만 2000대에서 2019년 5만 7000대로 76% 확대할 계획이다. 1대당 보조금은 국비·지방비를 포함해 수소차 최대 3600만 원, 전기차 최대 1900만 원, 플러그인 하이브리드차 500만 원 등이다. 

이 밖에 정부는 2018년 1800대인 수소차를 2040년까지 620만 대로 늘리며, 수소 택시는 2040년까지 8만 대를 보급한다. 또 2021년부터 쓰레기 수거차·청소차·살수차 등에 수소 트럭을 도입하고 물류 등 민간까지 확대해 2040년에는 3만 대 보급을 목표로 한다. 아울러 2018년 14곳인 수소 충전소는 2040년까지 1200개로 확대키로 했으며, 수소 공급은 2018년 연 13만t에서 2040년 연 526만t으로 늘린다.