In der Brennstoffzelle verbindet sich Wasserstoff plus Sauerstoff, getrennt durch eine protonenleitende, gasundurchlässige Membran unter Abgabe von Energie zu Wasser. Die Brennstoffzelle ist damit die optimale Methode, um chemische Energie in einem elektrochemischen Prozess unmittelbar in elektrische Energie und Wärme umzuwandeln. Durch die Vermeidung von Zwischenschritten ist die Brennstoffzelle somit ungewöhnlich effizient.
Da Wasserstoff einen mehr als dreifachen Energieinhalt im Vergleich zu sämtlichen fossilen Brennstoffen wie Holz, Kohle oder Öl hat, stellt er einen idealen Energielieferanten dar. Zudem wird bei der Verbrennung von Wasserstoff kein schädliches Treibhausgas sondern lediglich Wasser gebildet. Sollte es gelingen, die Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserzerlegung mittels Solarenergie, Windkraft, Kernenergie oder nachwachsenden Rohstoffen zu ermöglichen, so könnte ein wichtiger Beitrag gegen die globale Erwärmung geschaffen werden. Darüber hinaus könnten die begrenzt zur Verfügung stehenden fossilen Energieträger vorzugsweise als Rohstoffquelle für die chemische Industrie und weniger als Brennstoff verbraucht werden.
Grundsätzlich arbeitet eine Brennstoffzelle wie eine Batterie, wobei die Zelle jedoch so lange elektrischen Strom liefert, wie Brennstoff in Form von beispielsweise Wasserstoff oder Methanol zugeführt wird. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, einer Kathode und einer Anode, getrennt durch einen Elektrolyten. Der Elektrolyt hat die Aufgabe, die als Knallgasexplosion bekannte spontane Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu kontrollieren. Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) wird der Elektrolyt durch eine protonenleitende, sowie für Wasserstoff und Sauerstoff undurchlässige Membran ersetzt.
Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) bzw. Luft überströmen die Elektroden und werden dabei unter Stromerzeugung in Wasser (H2O) und Wärme umgewandelt. Der Wasserstoff wird dabei der Anode zugeführt. Dort wird er an der Katalysatorschicht unter Abgabe eines Elektrons (e-) in das Proton umgewandelt. Das Proton (H+) wandert durch die völlig gasdichte Membran. Die Elektronen, als nutzbare elektrische Energie, werden über einen Verbraucher zur Kathode zurückgeführt. An der zweiten Katalysatorschicht auf der Kathodenseite reagiert schließlich das Proton mit Sauerstoff aus der Luft zum einzigen Nebenprodukt, nämlich Wasser.
h die Vermeidung von Zwischenschritten ist die Brennstoffzelle somit ungewöhnlich effizient.