Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική. Είναι παρόμοια με τις μπαταρίες σε λειτουργία, εκτός από το ότι τα χημικά αντιδρώντα σε μια κυψέλη καυσίμου μπορούν να αναπληρωθούν όταν τελειώσουν. Μια κυψέλη καυσίμου χαρακτηρίζεται τυπικά από τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, τη θερμοκρασία λειτουργίας του και τις πιθανές εφαρμογές του. Η περισσότερη έρευνα στις κυψέλες καυσίμου έχει επικεντρωθεί σε εφαρμογές αυτοκινήτων, αν και ερευνώνται επίσης για εξερεύνηση του διαστήματος.
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό μιας κυψέλης καυσίμου είναι ο τύπος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Ένας ηλεκτρολύτης σε μια κυψέλη καυσίμου συνδέει ηλεκτρικά το καύσιμο και το οξειδωτικό, ενώ τα διατηρεί φυσικά χωριστά. Οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου μπορεί να είναι είτε υγροί είτε στερεοί, οδηγώντας σε διαφορετικά πλεονεκτήματα και προκλήσεις σχεδιασμού.
Ένας χρήσιμος τρόπος ταξινόμησης των κυψελών καυσίμου είναι η θερμοκρασία λειτουργίας τους. Πολλά σχέδια, όπως η κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου, απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας για την επίτευξη υψηλής ενεργειακής απόδοσης. Οι αντιδράσεις σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες μπορούν συχνά να μετατρέψουν περισσότερη εσωτερική χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, αντί να χάνουν πολλή ενέργεια μέσω της σπατάλης θερμότητας. Οι κυψέλες καυσίμου με χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, από την άλλη πλευρά, είναι συνήθως πιο φορητές. Οι κυψέλες καυσίμου μελών ανταλλαγής πολυμερών (PEMFCs) μελετώνται για την πολλά υποσχόμενη εφαρμογή τους στις μεταφορές.
Τα PEMFC μπορούν να επιτύχουν σχετικά υψηλή απόδοση ενώ λειτουργούν σε θερμοκρασία μικρότερη από 212 βαθμούς Φαρενάιτ (100 βαθμούς Κελσίου). Μια τέτοια χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας επιτρέπει στην κυψέλη καυσίμου να εκκινήσει γρήγορα. Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου χρησιμοποιεί επίσης μια συμπαγή πλαστική μεμβράνη ως ηλεκτρολύτη, γεγονός που καθιστά τη σφράγιση της κυψέλης καυσίμου απλούστερη από ό,τι για άλλους τύπους ηλεκτρολυτών. Αυτός ο συνδυασμός χαρακτηριστικών έχει κάνει το PEMFC ιδανικό υποψήφιο για αντικατάσταση κινητήρων εσωτερικής καύσης αυτοκινήτων.
Κάποιοι εικάζουν ότι οι κυψέλες καυσίμου θα αντικαταστήσουν τελικά τα συστήματα μεταφοράς που βασίζονται στη βενζίνη συνολικά. Μια οικονομία βασισμένη στο υδρογόνο, αντί στο πετρέλαιο, θα μπορούσε να έχει πολλά βασικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, οι εκπομπές των οχημάτων θα περιορίζονται στους υδρατμούς, οι οποίοι δεν αποτελούν προφανή περιβαλλοντική απειλή. Δεύτερον, τα οχήματα που κινούνται με υδρογόνο μπορεί τελικά να αποδειχθούν πιο ισχυρά ανά μονάδα μάζας καυσίμου. Τέλος, η παροχή υδρογόνου θα μπορούσε δυνητικά να είναι ανανεώσιμος πόρος, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία δεν είναι ανανεώσιμα.
Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου είναι ο τύπος που χρησιμοποιείται στην εξερεύνηση του διαστήματος, συμπεριλαμβανομένων των διαστημικών πτήσεων Απόλλων στο φεγγάρι. Συνδυάζουν υδρογόνο και οξυγόνο για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, απελευθερώνοντας θερμότητα και νερό στη διαδικασία. Ένα υδατικό αλκαλικό διάλυμα χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης σε αυτόν τον τύπο κυψελών καυσίμου. Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου απολαμβάνουν υψηλό επίπεδο τεχνολογικής ανάπτυξης και μπορούν να έχουν ηλεκτρική απόδοση έως και 60%. Το κόστος αυτών των κυψελών καυσίμου, ωστόσο, έχει αποτρέψει την ευρεία υιοθέτησή τους σε επίγειες εφαρμογές.