Brenselcellen er i prinsippet bygget likt et batteri, men mens batteriet har lagret den kjemiske energien internt, tilføres brenselcellen kjemisk energi fra en ekstern kilde. Brenselcellen kan dermed produsere strøm så lenge det tilføres luft og brensel.
En brenselcelle består av to elektroder (en katode og en anode) og en elektrolytt som er plassert mellom elektrodene, se figur under. En membran som kan lede positivt ladde hydrogenatomer (protoner) blir eksponert for hydrogen (H2) på den ene siden og oksygen (O2) eller luft på den andre siden. Protonene fra hydrogenatomene vil da gå igjennom membranen og reagere med oksygen, slik at vann dannes. Elektronene vil gå i de ytre ledningene som forbinder de to sidene.
Hydrogen brenselcelle. Illustrasjon: Endre Barstad
Membranmaterialet må ha helt spesielle egenskaper. Dette er ofte enklest å få til ved å sette sammen ulike materialtyper. Strøm og spenning vil variere med driftstilstanden til brenselcellen, slik at det er nødvendig med en omformer for å få en strømkvalitet tilpasset nettets krav.
En enkelt brenselcelle kan produsere elektrisitet ved 0,5–0,7 V. For å få høyere spenning kobler man derfor flere brenselceller sammen i serie i en såkalt brenselcellestack. Strømmengden som produseres er proporsjonal med overflatearealet til membranen og tilført brensel. Derfor er brenselceller lette å skalere; flere brenselceller gir større effekt.
Sammenlignet med tradisjonell elektrisitetsproduksjon med varmemotorer (som gasskraftverk og kullkraftverk) er brenselceller mer effektive, ettersom man produserer strøm direkte fra den kjemiske energien. I varmemotorer blir den kjemiske energien først omdannet til varme, som deretter brukes til å drive en maskin som igjen driver en generator.
På samme måte som man har oppladbare batterier kan man også utforme brenselceller som kan kjøre begge veier. Man snakker da om «regenerative brenselceller» som enten opereres i «brenselcellemodus» eller «elektrolysemodus», avhengig av om det forbrukes eller lages hydrogen. En slik brenselcelle kan gjerne sammenlignes med et pumpekraftverk. Akkurat som for pumpekraftverket vil den regenerative brenselcellen ha litt dårligere virkningsgrad enn en ren brenselcelle eller elektrolysør.
Kjernen i brenselcelleteknologien er membranen som skiller luft og brensel (anode, elektrolytt og katode). Kravene som stilles til denne komponenten er store og har til nå vært vanskelig å oppfylle på en tilfredsstillende måte. Det er spesielt holdbarhet over tid som har vist seg vanskelig å få til. Materialene er dyre å produsere, i tillegg til at den spesielle atmosfæren inne i brenselcellen ofte krever dyre materialer i omliggende komponenter. Noe av kostnadene kan man kutte ved å innføre masseproduksjon, men det er fortsatt et stykke igjen til man er på et tilfredsstillende nivå.