Οι κυψέλες υδρογόνου μετατρέπουν την χημική ενέργεια κατευθείαν σε ηλεκτρική. Επειδή δεν χρησιμοποιείτε κάποιος θερμοδυναμικός κύκλος καύσης η αποδοτικότητα τους δεν περιορίζεται από τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο οπότε θεωρητικά μπορούμε να έχουμε 100% απόδοση. Πρακτικά αυτό περιορίζετε στο 50%, όμως καθώς οι έρευνες συνεχίζονται αυτό το ποσοστό ολοένα και αυξάνει.
Η θεωρία λειτουργίας τους είναι ανάλογη με αυτήν των μπαταριών: δυο ηλεκτρόδια διαχωρισμένα από έναν ηλεκτρολύτη που μεταφέρει ιόντα, όχι όμως ηλεκτρόνια. Το καύσιμο που χρησιμοποιείται τροφοδοτείτε στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ το θετικό τροφοδοτείτε από οξυγόνο ή αέρα.

 Ένας καταλύτης στην άνοδο προκαλεί τα μόρια του υδρογόνου (Η₂) να διαχωρίζονται σε ιόντα υδρογόνου (2Η⁺) και ηλεκτρόνια (2e^-). Τα ιόντα του υδρογόνου μεταφέρονται μέσω του ηλεκτρολύτη στην κάθοδο όπου αντιδρούν με το οξυγόνο και τα ηλεκτρόνια του κυκλώματος και διαμορφώνουν το νερό. Το νερό λοιπόν είναι το «απόβλητο» του συστήματος ενώ παράλληλα αποβάλετε και θερμότητα
Για πηγή τροφοδοσίας υδρογόνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί φυσικό αέριο, εθανόλη, μεθανόλη και αλλά, όμως η χρήση υδρογόνου δημιουργημένου από ηλεκτρόλυση νερού είναι η ιδανικότερη καθώς με αυτόν τον τρόπο αποφεύγετε η εκπομπή ρύπων διοξειδίου του άνθρακα, μονοξειδίου του άνθρακα, νιτρικά οξέα και υδρογονάνθρακες που δημιουργούν οι άλλες πηγές.

Η παραγωγή υδρογόνου γίνεται με ηλεκτρόλυση νερού, διαδικασία ευρέως διαδεδομένη στην βιομηχανία. Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιεί μια πηγή συνεχούς ρεύματος (DC) και έχει αποδοτικότητα ~60% κυρίως λόγο απωλειών στα ηλεκτρόδια.

Το γεγονός ότι δεν έχουν κινούμενα μέλη τα κατατάσσει στην κατηγορία των συσκευών υψηλής αξιοπιστίας, ενώ η συνεργασία με άλλες ΑΠΕ όπως φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες είναι ιδανική. Το ποιο σημαντικό αρνητικό είναι η τιμή τους η οποία κυμαίνεται περίπου στα 2000¤/kW ενώ παράλληλα προσπαθούν να βρουν και ποιο ασφαλείς τρόπους μεταφοράς του υδρογόνου το οποίο προκαλεί έκρηξη σε περίπτωση ταχείας διαρροής του.

---