Vloeibaar of vast, het geleidende materiaal van de elektrolyt maakt het mogelijk om de doorgang van elektronen te regelen.

Een tank voorziet de anode en kathode continu van brandstof : in het geval van een waterstofbrandstofcel ontvangt de anode waterstof en de kathode zuurstof, oftewel lucht.
De anode veroorzaakt de oxidatie van de brandstof en het vrijkomen van elektronen, die door de ionengeladen elektrolyt worden gedwongen om door een extern circuit te gaan. Dit externe circuit biedt dus een continue elektrische stroom.

Ionen en elektronen, verzameld in de kathode, recombineren vervolgens met de tweede brandstof, meestal zuurstof. Dit is reductie, waarbij naast elektrische stroom ook water en warmte wordt opgewekt.
Zolang deze wordt geleverd, werkt de batterij continu.

Aan de anode hebben we dus een elektrochemische oxidatie van de waterstof :

H2 → 2H+ + 2e-

Aan de kathode wordt de vermindering van zuurstof waargenomen :

1⁄2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

De totale balans is dan :

H2 + 1/2 O2 → H2O

Proton Exchange Membraan Brandstofcellen (PEMFC) :
PEMFC's gebruiken een polymeermembraan, vaak Nafion®, als elektrolyt. Ze werken bij relatief lage temperaturen (rond de 80-100°C) en worden vooral gebruikt in transporttoepassingen, zoals waterstofauto's, vanwege hun snelle start en hoge vermogensdichtheid.

Vaste-oxide-brandstofcellen (SOFC's) :
SOFC's gebruiken een vaste elektrolyt, zoals yttrium-gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ), en werken bij hoge temperaturen (ongeveer 600-1000°C). Ze zijn efficiënt voor stationaire energieopwekking en warmtekrachtkoppeling vanwege hun hoge efficiëntie en lage gevoeligheid voor brandstofonzuiverheden.

Vaste-oxidebrandstofcellen voor hoge temperaturen (HT-SOFC) :
HT-SOFC's zijn een variant van SOFC's die bij nog hogere temperaturen (boven 800°C) werken. Ze bieden een hoog rendement en kunnen worden aangedreven door een verscheidenheid aan brandstoffen, waardoor ze een aantrekkelijke optie zijn voor stationaire toepassingen die een hoog rendement vereisen.

Gesmolten carbonaat brandstofcellen (FCFC's) :
MCFC's gebruiken een carbonaatelektrolyt dat bij hoge temperaturen (ongeveer 600-700°C) wordt gesmolten. Ze zijn efficiënt voor warmtekrachtkoppeling en kunnen werken op brandstoffen die kooldioxide bevatten, waardoor ze nuttig zijn voor het afvangen en opslaan van CO2.

Alkalische brandstofcellen (AFC's) :
CFL's gebruiken een alkalische elektrolyt, meestal een waterige oplossing van potas of natriumhydroxide. Ze zijn efficiënt en goedkoop, maar ze vereisen katalysatoren op basis van platina en werken het beste met zuivere waterstof, wat hun toepassingen beperkt.

Fosforzuurbrandstofcellen (PAFC) :
PAFC's gebruiken een fosforzuurelektrolyt in een polybenzimidazoolzuurmembraan. Ze werken bij relatief hoge temperaturen (ongeveer 150-220°C) en worden vaak gebruikt in stationaire warmtekrachtkoppelings- en energieopwekkingstoepassingen.

Protonuitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcellen :
PEM-brandstofcellen behoren tot de meest gebruikte, vooral in transport- en stationaire toepassingen. Ze bieden een hoog rendement, meestal tussen de 40% en 60%. Deze efficiëntie kan echter variëren, afhankelijk van factoren zoals bedrijfstemperatuur, waterstofdruk en verliezen in het systeem.

Vaste-oxide-brandstofcellen (SOFC's) :
Van SOFC-brandstofcellen is bekend dat ze een hoog rendement bieden, meestal meer dan 50%. Sommige geavanceerde SOFC-brandstofcellen kunnen een efficiëntie van meer dan 60% bereiken. Ze worden vaak gebruikt in stationaire toepassingen waar een hoog rendement essentieel is.

Vaste-oxidebrandstofcellen voor hoge temperaturen (HT-SOFC) :
HT-SOFC's werken bij veel hogere temperaturen dan conventionele SOFC's, waardoor ze een nog hoger rendement kunnen bereiken, doorgaans meer dan 60%. Deze brandstofcellen worden voornamelijk gebruikt in stationaire en warmtekrachtkoppelingstoepassingen.

Gesmolten carbonaat brandstofcellen (FCFC's) :
MCFC-brandstofcellen kunnen een hoog rendement bereiken, meestal tussen 50% en 60%. Ze worden vaak gebruikt in warmtekrachtkoppelingstoepassingen waar afvalwarmte kan worden teruggewonnen en efficiënt kan worden gebruikt.

Schoon vervoer :
Brandstofcellen kunnen worden gebruikt als stroombron voor brandstofcelvoertuigen (FCV's), zoals auto's, vrachtwagens, bussen en treinen. PCV's gebruiken waterstof als brandstof en wekken elektriciteit op door waterstof te combineren met zuurstof uit de lucht. Ze genereren alleen water en warmte als bijproducten en bieden een schoon alternatief voor voertuigen met verbrandingsmotoren.

Stationaire energie :
Brandstofcellen kunnen worden gebruikt als stationaire stroombron voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder back-up- en back-upsystemen, telecommunicatiefaciliteiten, zendmasten, basisstations, energiebeheersystemen voor commerciële en residentiële gebouwen en gedistribueerde energieopwekkingssystemen.

Draagbare elektronica :
Brandstofcellen kunnen draagbare elektronische apparaten zoals laptops, smartphones, tablets en veldmeetapparatuur van stroom voorzien. Hun hoge energiedichtheid en verlengde looptijd maken ze een aantrekkelijke oplossing voor toepassingen die een draagbaar vermogen met een lange levensduur vereisen.

Militaire toepassingen :
Brandstofcellen kunnen worden gebruikt in militaire toepassingen zoals drones, militaire voertuigen, veldbewakings- en communicatieapparatuur en verdedigingssystemen, en leveren betrouwbare en discrete stroom in veeleisende omgevingen.

Ruimtevaart toepassingen :
In de ruimtevaartindustrie worden brandstofcellen gebruikt om satellieten, ruimtestations en ruimtesondes van stroom te voorzien. Hun hoge efficiëntie, betrouwbaarheid en lage gewicht maken ze tot een aantrekkelijke krachtbron voor langdurige ruimtemissies.

Industriële toepassingen :
Brandstofcellen kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan industriële toepassingen, zoals warmtekrachtkoppeling, gedistribueerde energieopwekking, afvalwaterzuivering, warmte- en elektriciteitsopwekking voor industriële processen en waterstofproductie uit hernieuwbare bronnen.