Ciekły lub stały, przewodzący materiał elektrolitu umożliwia kontrolowanie przepływu elektronów.

Zbiornik w sposób ciągły zaopatruje anodę i katodę w paliwo : w przypadku wodorowego ogniwa paliwowego anoda otrzymuje wodór, a katoda tlen, innymi słowy powietrze.
Anoda powoduje utlenianie paliwa i uwalnianie elektronów, które są zmuszane przez elektrolit naładowany jonami do przejścia przez obwód zewnętrzny. Ten obwód zewnętrzny zapewnia zatem ciągły prąd elektryczny.

Jony i elektrony, zgromadzone w katodzie, następnie rekombinują z drugim paliwem, zwykle tlenem. Jest to redukcja, wytwarzanie wody i ciepła oprócz prądu elektrycznego.
Dopóki jest dostarczany, akumulator pracuje nieprzerwanie.

Na anodzie mamy zatem elektrochemiczne utlenianie wodoru :

H2 → 2H+ + 2.

Na katodzie obserwuje się redukcję tlenu :

1⁄2O2 + 2H+ + 2. → H2O

Ogólny bilans przedstawia się następująco :

H2 + 1/2 O2 → H2O

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) :
Jako elektrolit stosuje się membranę polimerową, często Nafion®. Działają w stosunkowo niskich temperaturach (około 80-100°C) i są stosowane głównie w zastosowaniach transportowych, takich jak samochody wodorowe, ze względu na szybki rozruch i dużą gęstość mocy.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) :
SOFC wykorzystują stały elektrolit, taki jak stabilizowany tlenkiem cyrkonu (YSZ) i działają w wysokich temperaturach (około 600-1000°C). Są wydajne w stacjonarnym wytwarzaniu energii i kogeneracji ze względu na wysoką sprawność i niską wrażliwość na zanieczyszczenia paliwowe.

Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (HT-SOFC) :
HT-SOFC to wariant SOFC, który działa w jeszcze wyższych temperaturach (powyżej 800°C). Oferują wysoką wydajność i mogą być zasilane różnymi paliwami, co czyni je atrakcyjną opcją do zastosowań stacjonarnych wymagających wysokiej wydajności.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (FCFC) :
MCFC wykorzystują elektrolit węglanowy, który jest topiony w wysokich temperaturach (około 600-700°C). Są wydajne w kogeneracji i mogą być zasilane paliwami zawierającymi dwutlenek węgla, dzięki czemu są przydatne do wychwytywania i składowania CO2.

Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) :
Świetlówki kompaktowe wykorzystują elektrolit alkaliczny, zwykle wodny roztwór potasu lub wodorotlenku sodu. Są wydajne i niedrogie, ale wymagają katalizatorów na bazie platyny i najlepiej współpracują z czystym wodorem, co ogranicza ich zastosowania.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC) :
PAFC wykorzystują elektrolit kwasu fosforowego zawarty w membranie kwasu polibenzimidazolowego. Pracują w stosunkowo wysokich temperaturach (około 150-220°C) i są często wykorzystywane w stacjonarnej kogeneracji i energetyce.

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM) :
Ogniwa paliwowe PEM należą do najczęściej stosowanych, zwłaszcza w transporcie i zastosowaniach stacjonarnych. Oferują wysoki zwrot, zwykle od 40% do 60%. Jednak wydajność ta może się różnić w zależności od takich czynników, jak temperatura pracy, ciśnienie wodoru i straty w układzie.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) :
Wiadomo, że ogniwa paliwowe SOFC oferują wysoką wydajność, zwykle przekraczającą 50%. Niektóre zaawansowane ogniwa paliwowe SOFC mogą osiągnąć sprawność przekraczającą 60%. Są one często używane w zastosowaniach stacjonarnych, gdzie niezbędna jest wysoka wydajność.

Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (HT-SOFC) :
HT-SOFC działają w znacznie wyższych temperaturach niż konwencjonalne SOFC, co pozwala im osiągnąć jeszcze wyższą sprawność, zwykle przekraczającą 60%. Te ogniwa paliwowe są stosowane głównie w zastosowaniach stacjonarnych i kogeneracyjnych.

Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (FCFC) :
Ogniwa paliwowe MCFC mogą osiągać wysoką sprawność, zwykle od 50% do 60%. Są one często wykorzystywane w zastosowaniach kogeneracyjnych, w których ciepło odpadowe może być odzyskiwane i efektywnie wykorzystywane.

Czysty transport :
Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane jako źródło zasilania pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi (FCV), takich jak samochody osobowe, ciężarowe, autobusy i pociągi. PCV wykorzystują wodór jako paliwo i wytwarzają energię elektryczną poprzez połączenie wodoru z tlenem z powietrza. Wytwarzają one jedynie wodę i ciepło jako produkty uboczne, stanowiąc czystą alternatywę dla pojazdów z silnikami spalinowymi.

Energia stacjonarna :
Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane jako stacjonarne źródło zasilania do różnych zastosowań, w tym systemów rezerwowych i rezerwowych, obiektów telekomunikacyjnych, wież komórkowych, stacji bazowych, systemów zarządzania energią w budynkach komercyjnych i mieszkalnych oraz rozproszonych systemów wytwarzania energii.

Przenośna elektronika :
Ogniwa paliwowe mogą zasilać przenośne urządzenia elektroniczne, takie jak laptopy, smartfony, tablety i urządzenia do pomiarów terenowych. Ich wysoka gęstość energii i wydłużony czas pracy sprawiają, że są one atrakcyjnym rozwiązaniem do zastosowań wymagających przenośnego zasilania o długiej żywotności.

Zastosowania wojskowe :
Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane w zastosowaniach wojskowych, takich jak drony, pojazdy wojskowe, sprzęt do obserwacji i komunikacji w terenie oraz systemy obronne, zapewniając niezawodne i dyskretne zasilanie w wymagających środowiskach.

Zastosowania kosmiczne :
W przemyśle kosmicznym ogniwa paliwowe są wykorzystywane do zasilania satelitów, stacji kosmicznych i sond kosmicznych. Ich wysoka wydajność, niezawodność i niska waga sprawiają, że są atrakcyjnym źródłem zasilania dla długoterminowych misji kosmicznych.

Zastosowania przemysłowe :
Ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak kogeneracja, energetyka rozproszona, oczyszczanie ścieków, wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej na potrzeby procesów przemysłowych oraz produkcja wodoru ze źródeł odnawialnych.