In einer Brennstoffzelle findet kein Verbrennungsvorgang statt, sondern hier werden Strom und Wärme auf elektrochemischem Weg erzeugt. Bei der Elektrolyse von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauerstoff. Auf der umkehrten Reaktion basiert die Brennstoffzelle. Sie ist eine „gebremste“, nicht explosiv verlaufende Knallgasreaktion. Es entstehen Wärme und Strom in einem Prozess.

Abb. 7 zeigt die zentralen Bauteile einer einzelnen Brennstoffzelle: Anode, Kathode und eine Elektrolytmembran. In einer Zelle wird wasserstoffhaltiges Gas an eine poröse Anode geleitet und Sauerstoff an eine poröse Kathode. Beide Gase werden durch die gasundurchlässige Membran getrennt und dadurch an der direkten Knallgasreaktion gehindert. Die Membran kann z. B. aus einer speziellen Folie, die nur für Ionen aber nicht für Elektronen durchlässig ist, einer Karbonatschmelze oder Oxidkeramik bestehen. Sie bestimmt wesentlich die Eigenschaften einer Brennstoffzelle, wie z. B. Betriebstemperatur und Anforderungen an die Reinheit der Gase.

In Abb. 7 diffundiert Wasserstoff in die poröse Anode ein und es entstehen Ionen und freie Elektronen. Die H+-Ionen durchdringen die Membran. Hier treffen sie auf negative O2- -Ionen, die sich in der porösen Kathode gebildet haben. Beide Ionen verbinden sich unter Wärmeabgabe zu Wasser. Die auf der Anodenseite entstandenen, freien Elektronen werden über einen äußeren Leiter abgeleitet und als Nutzstrom verwendet. Brennstoffzellen mit dem beschriebenen Reaktionsweg heißen Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell oder kurz PEM-FC. Sie gehören zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen, arbeiten auf einem Temperaturniveau von 70 – 90 °C und sollen z. B. zur Energieversorgung von einzelnen Wohngebäuden sowie als Fahrzeugantrieb eingesetzt werden. Zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einer Temperatur von 900 – 1.000 °C zählt die Solid Oxide Fuel Cell – kurz SO-FC –, die über einen oxidkeramischen Elektrolyten verfügt. Dieser ist durchlässig für die negativen O2- - Ionen, so dass hier die Sauerstoff-Ionen zu den Wasserstoff-Ionen wandern und sich das Reaktionsprodukt Wasser auf der Anodenseite bildet. Derartige Brennstoffzellen werden z. B. in KWK-Systemen mit Nahwärmenetzen eingesetzt.

Da eine einzelne Brennstoffzelle eine Spannung von 0,7 Volt bereitstellt, werden in technischen Anwendungen viele Zellen in Serie geschaltet und bilden Zellstapel (englisch: stack). Damit addieren sich die Spannungen. Brennstoffzellen bieten vier entscheidende Vorzüge: Sie emittieren wenig Schadstoffe, arbeiten nahezu lautlos, verwerten Energierohstoffe sehr effizient – auch im wichtigen Teillastbereich – und eignen sich für alle Leistungsbereiche von Watt (z. B. Notebook) über Kilowatt (z. B. Hausenergiesystem – Abb. 8) bis Megawatt (z. B. KWK-Nahwärmesystem – Abb. 9). Brennstoffzellen können mit Wasserstoff und – derzeit üblich – mit wasserstoffhaltigen Gasen, die vorab aus Erdgas, Biogas oder Methanol reformiert worden sind, betrieben werden.