Brennstoffzellen werden zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie und Wärme verwendet.  Es gibt verschiedene Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen, auf die im Folgenden eingegangen wird. Der grundlegende Aufbau von Brennstoffzellen ist jedoch im Allgemeinen gleich. Sie bestehen aus einer Wasserstoff-Elektrode als Anode, einer Sauerstoff-Elektrode als Kathode und einem ionenleitenden Elektrolyten, welcher meistens über den Typ der Brennstoffzelle bestimmt. Über einen externen Stromkreis wandern Elektronen von der Anode zur Kathode, was zu einer Oxidation an der Anode und einer Reduktion an der Kathode führt. Dabei entstehen Ionen, die durch den Elektrolyten wandern und mit diesen Elektronen reagieren.

Es gibt zwei verschiedene Arten von PEMFC, nämlich die Niedertemperatur-PEMFC, die bei einer durchschnittlichen Betriebstemperatur von 80°C arbeitet, und die Hochtemperatur-PEMFC, die bei einem Temperaturniveau von 120°C - 200°C arbeitet.

In der PEMFC dient Wasserstoff als Reduktionsmittel und Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. Der Wasserstoff gelangt über die Gasdiffusionsschicht in die Katalysatorschicht der Anode und wird zu atomarem Wasserstoff (H⁺). Die Wasserstoffprotonen werden über den Elektrolyten zur Kathode transportiert.  Als Elektrolyt wird eine Polymerelektrolytmembran verwendet, die auch das Herzstück der PEM-Brennstoffzelle ist. Es handelt sich um eine sulfonierte Polytetrafluorethylen-Folie, die unter dem Handelsnamen NafionTM vermarktet wird. NafionTM ist selektiv leitfähig für Protonen, während die Membran für Anionen und Elektronen elektrisch isolierend ist. Die bei der Oxidation von Wasserstoff freigesetzten Elektronen wandern über den externen Kreislauf zur Kathode. Dort wird der Sauerstoff an der Katalysatoroberfläche reduziert, nimmt zwei Elektronen auf und bildet mit zwei H⁺-Ionen Wasser.

Als Katalysator wird in der PEMFC hauptsächlich Platin verwendet, das relativ teuer ist.

Um die PEMFC bei höheren Temperaturen betreiben zu können (Hochtemperatur-PEMFC), wurde eine andere protonenleitende Membran (Polybenzimidazol-Membran) entwickelt, die diesen Temperaturen standhalten kann.

Die alkalische Brennstoffzelle benötigt keine teuren Edelmetallkatalysatoren, sondern Nickel. Der Aufbau ist recht einfach und kostengünstig. Als Elektrolyt wird Kalilauge verwendet. Damit die Brennstoffzelle nicht versagt, muss der zugeführte Sauerstoff hochrein sein, sonst würde die Kalilauge mit CO₂ zu Carbonat reagieren. Daher kann diese Art von Brennstoffzelle nicht mit Luftsauerstoff betrieben werden, was ihren Einsatz für die meisten Anwendungen ausschließt.

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist eine Sonderform der PEMFC. Hier wird Methanol in flüssiger oder dampfförmiger Form der Anode zugeführt. Als Abgas entsteht an der Anode CO₂.  Der Sauerstoff aus der Luft wird der Kathode zugeführt. Wie bei der PEMFC wird auch bei der DMFC eine protonenleitende Polymermembran verwendet, durch die H⁺-Ionen diffundieren. Ein Problem ist der Methanol-Crossover, bei dem Methanol von der Anodenseite zur Kathodenseite diffundiert und sich dort mit Sauerstoff vermischt. Dieses Phänomen verringert die Leistung und damit den Wirkungsgrad. Ein wesentlicher Vorteil der DMFC ist die direkte Umwandlung von Methanol.

Die Phosphorsaure Brennstoffzelle verwendet konzentrierte Phosphorsäure als Elektrolyt. Aufgrund der sauren Elektrolyte werden hohe Materialanforderungen an die Zellkomponenten gestellt. Als Brennstoff wird Wasserstoff und als Oxidationsmittel Luftsauerstoff verwendet. Für die Elektroden wird poröser Graphit verwendet, der meist mit Platin beschichtet ist. Trotz des hohen technischen Reifegrades dieser Brennstoffzelle kann sich die PAFC nicht durchsetzen, da ihre Kosten zu hoch sind und ihr Kostensenkungspotenzial ausgeschöpft ist.

Die Vorteile der PAFC sind ihre Robustheit und die erhöhte Verträglichkeit mit CO, CO₂ und Schwefel. Die Nachteile sind der relativ hohe Edelmetallbedarf für die Katalysatoren und eine begrenzte Lebensdauer durch die Phosphorsäure. Außerdem erfordert sie lange Heizzeiten und ist daher nicht sehr flexibel.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle hat einen Elektrolyten aus Kaliumcarbonat (K₂CO₃) und Lithiumcarbonat (Li₂CO₃). Der Elektrolyt leitet Karbonat-Ionen von der Kathode zur Anode. Bei dieser Art von Brennstoffzelle kann ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Brennstoff verwendet werden. Auf der Kathodenseite muss ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Kohlendioxid zugeführt werden. Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Kohlendioxid und nimmt dabei Elektronen auf: es entsteht Karbonat. Auf der Anodenseite werden aus Wasserstoff- und Karbonationen Wasser und Kohlendioxid gebildet. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen (ca. 650°C) werden hochtemperaturbeständige Materialien, aber keine Edelmetalle für die Katalysatoren benötigt. Als Elektrodenmaterial kann Nickel verwendet werden. Die Toxizität und Entflammbarkeit der Reaktanten stellen ein Problem für die MCFC dar.

Die Festoxid-Brennstoffzelle verwendet einen Elektrolyten aus yttriumstabilisierter Zirkoniumoxidkeramik. Der feste Elektrolyt aus Oxidkeramik wird im Temperaturbereich von 900 bis 1.000 °C ionenleitend, so dass die O^2--Ionen von der Kathode zur Anode wandern können. Die Kathode besteht aus einem keramischen Material, das für Elektronen und Ionen leitfähig ist, wie Lanthan-Strontium-Mangan-Oxid (LSM). Für die Anode wird ein ionen- und elektronenleitendes keramisch-metallisches Cermet-Material verwendet. Der Brennstoff wird direkt in der Anlage mit Hilfe von Katalysatormetallen wie Ruthenium und Cer zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reformiert. Zum Starten der Brennstoffzelle ist jedoch eine externe Heizung erforderlich. Der Ladungstransport erfolgt mit Hilfe von O^2--Ionen.