Vedel või tahke, elektrolüüdi juhtiv materjal võimaldab kontrollida elektronide läbipääsu.

Paak varustab anoodi ja katoodi pidevalt kütusega : vesinikkütuseelemendi puhul saab anood vesinikku ja katoodi hapnikku, teisisõnu õhku.
Anood põhjustab kütuse oksüdeerumist ja elektronide vabanemist, mida ioonlaetud elektrolüüt sunnib läbima välise ahela. Seetõttu pakub see väline vooluring pidevat elektrivoolu.

Katoodile kogutud ioonid ja elektronid rekombineeruvad seejärel teise kütusega, tavaliselt hapnikuga. See on vähendamine, vee ja soojuse tootmine lisaks elektrivoolule.
Niikaua kui see on tarnitud, töötab aku pidevalt.

Anoodil on meil seega vesiniku elektrokeemiline oksüdatsioon :

H2 → 2H+ + 2.-

Katoodil täheldatakse hapniku vähenemist :

1⁄2O2 + 2H+ + 2.- → H2O

Üldine bilanss on siis :

H2 + 1/2 O2 → H2O

Prootonivahetusmembraani kütuseelemendid (PEMFC) :
PEMFCd kasutavad elektrolüüdina polümeermembraani, sageli Nafioni®. Need töötavad suhteliselt madalatel temperatuuridel (umbes 80–100 °C) ja neid kasutatakse peamiselt transpordirakendustes, näiteks vesinikautodes, tänu nende kiirele käivitamisele ja suurele võimsustihedusele.

Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC) :
SOFC-d kasutavad tahket elektrolüüti, näiteks ütriumi stabiliseeritud tsirkooniumoksiidi (YSZ), ja töötavad kõrgel temperatuuril (umbes 600–1000 ° C). Need on tõhusad statsionaarseks elektritootmiseks ja koostootmiseks tänu oma suurele efektiivsusele ja madalale tundlikkusele kütuse lisandite suhtes.

Kõrge temperatuuriga tahkeoksiidkütuseelemendid (HT-SOFC) :
HT-SOFCd on SOFCde variant, mis töötab veelgi kõrgematel temperatuuridel (üle 800 °C). Need pakuvad suurt tõhusust ja neid saab toita mitmesuguste kütustega, muutes need atraktiivseks võimaluseks suurt tõhusust nõudvate statsionaarsete rakenduste jaoks.

Sulatatud karbonaatsete kütuseelementide (FCFCd) kasutamine :
MCFCd kasutavad karbonaatelektrolüüti, mis sulatatakse kõrgel temperatuuril (umbes 600–700 ° C). Need on tõhusad koostootmisel ja võivad töötada süsinikdioksiidi sisaldavate kütustega, muutes need kasulikuks CO2 kogumiseks ja säilitamiseks.

Leeliselised kütuseelemendid :
Kompaktluminofoorlampides kasutatakse leeliselist elektrolüüti, tavaliselt kaaliumkloriidi või naatriumhüdroksiidi vesilahust. Need on tõhusad ja odavad, kuid vajavad plaatinapõhiseid katalüsaatoreid ja töötavad kõige paremini puhta vesinikuga, mis piirab nende rakendusi.

Fosforhappe kütuseelemendid (PAFC) :
PAFC-d kasutavad fosforhappe elektrolüüti, mis sisaldub polübensimidasoolhappe membraanis. Need töötavad suhteliselt kõrgetel temperatuuridel (umbes 150–220 °C) ning neid kasutatakse sageli statsionaarses koostootmises ja elektritootmises.

Prootonivahetusmembraani (PEM) kütuseelemendid :
PEM-kütuseelemendid on kõige sagedamini kasutatavad, eriti transpordis ja statsionaarsetes rakendustes. Nad pakuvad suurt tootlust, tavaliselt vahemikus 40% kuni 60%. Kuid see efektiivsus võib varieeruda sõltuvalt sellistest teguritest nagu töötemperatuur, vesiniku rõhk ja kaod süsteemis.

Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC) :
SOFC kütuseelemendid pakuvad teadaolevalt suurt kasutegurit, tavaliselt üle 50%. Mõned täiustatud SOFC kütuseelemendid võivad saavutada tõhususe üle 60%. Neid kasutatakse sageli statsionaarsetes rakendustes, kus kõrge efektiivsus on hädavajalik.

Kõrge temperatuuriga tahkeoksiidkütuseelemendid (HT-SOFC) :
HT-SOFCd töötavad palju kõrgematel temperatuuridel kui tavalised SOFCd, võimaldades neil saavutada veelgi suuremat tõhusust, tavaliselt üle 60%. Neid kütuseelemente kasutatakse peamiselt statsionaarsetes ja koostootmisrakendustes.

Sulatatud karbonaatsete kütuseelementide (FCFCd) kasutamine :
MCFC kütuseelemendid võivad saavutada suure tõhususe, tavaliselt vahemikus 50–60%. Neid kasutatakse sageli koostootmisrakendustes, kus heitsoojust saab taaskasutada ja tõhusalt kasutada.

Puhas transport :
Kütuseelemente saab kasutada kütuseelemendiga sõidukite, näiteks autode, veoautode, busside ja rongide toiteallikana. PCV-d kasutavad kütusena vesinikku ja toodavad elektrit, kombineerides vesinikku õhust saadava hapnikuga. Need toodavad vett ja soojust ainult kõrvalsaadustena, pakkudes puhast alternatiivi sisepõlemismootoriga sõidukitele.

Statsionaarne energia :
Kütuseelemente saab kasutada statsionaarse toiteallikana mitmesugustes rakendustes, sealhulgas varundus- ja varusüsteemides, telekommunikatsioonirajatistes, mobiilimastides, tugijaamades, äri- ja eluhoonete energiajuhtimissüsteemides ning hajutatud elektritootmissüsteemides.

Kaasaskantav elektroonika :
Kütuseelemendid võivad toita kaasaskantavaid elektroonikaseadmeid, nagu sülearvutid, nutitelefonid, tahvelarvutid ja väljamõõteseadmed. Nende kõrge energiatihedus ja pikendatud tööaeg muudavad need atraktiivseks lahenduseks rakendustele, mis vajavad kaasaskantavat ja pikaealist energiat.

Sõjalised rakendused :
Kütuseelemente saab kasutada sõjalistes rakendustes, nagu droonid, sõjaväesõidukid, väliseire- ja sideseadmed ning kaitsesüsteemid, pakkudes usaldusväärset ja diskreetset võimsust nõudlikes keskkondades.

Kosmoserakendused :
Kosmosetööstuses kasutatakse kütuseelemente satelliitide, kosmosejaamade ja kosmosesondide toiteks. Nende kõrge efektiivsus, töökindlus ja väike kaal muudavad need atraktiivseks jõuallikaks pikaajaliste kosmosemissioonide jaoks.

Tööstuslikud rakendused :
Kütuseelemente saab kasutada mitmesugustes tööstuslikes rakendustes, nagu koostootmine, hajaenergia tootmine, reoveepuhastus, soojuse ja elektri tootmine tööstusprotsessides ning vesiniku tootmine taastuvatest energiaallikatest.