Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in Strom um. Sie ähneln in ihrer Funktion Batterien, außer dass die chemischen Reaktionspartner in einer Brennstoffzelle wieder aufgefüllt werden können, wenn sie leer sind. Eine Brennstoffzelle zeichnet sich typischerweise durch die Art des verwendeten Elektrolyten, seine Betriebstemperatur und seine Einsatzmöglichkeiten aus. Die meisten Forschungen zu Brennstoffzellen haben sich auf Automobilanwendungen konzentriert, obwohl sie auch für die Weltraumforschung erforscht werden.
Ein wichtiges Merkmal einer Brennstoffzelle ist die Art des verwendeten Elektrolyten. Ein Elektrolyt in einer Brennstoffzelle verbindet den Brennstoff und das Oxidationsmittel elektrisch, während er sie physisch getrennt hält. Elektrolyte, die in der Brennstoffzellentechnologie verwendet werden, können entweder flüssig oder fest sein, was zu unterschiedlichen Designvorteilen und Herausforderungen führt.
Eine hilfreiche Methode zur Klassifizierung von Brennstoffzellen ist ihre Arbeitstemperatur. Viele Konstruktionen, wie die Festoxid-Brennstoffzelle, erfordern hohe Betriebstemperaturen, um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. Reaktionen bei diesen hohen Temperaturen können oft mehr interne chemische Energie in Strom umwandeln, anstatt viel Energie durch Abwärme zu verlieren. Brennstoffzellen mit niedrigeren Betriebstemperaturen sind dagegen typischerweise tragbarer. Polymeraustauscher-Brennstoffzellen (PEMFCs) werden auf ihre vielversprechende Anwendung im Transportwesen untersucht.
PEMFCs können einen relativ hohen Wirkungsgrad erreichen, während sie bei einer Temperatur von weniger als 212 Grad Celsius betrieben werden. Eine derart niedrige Betriebstemperatur ermöglicht ein schnelles Anfahren der Brennstoffzelle. Auch dieser Brennstoffzellentyp verwendet als Elektrolyt eine feste Kunststofffolie, was das Versiegeln der Brennstoffzelle einfacher macht als bei anderen Elektrolyttypen. Diese Kombination von Merkmalen hat die PEMFC zu einem idealen Kandidaten für den Ersatz von Automobil-Verbrennungsmotoren gemacht.
Einige haben spekuliert, dass Brennstoffzellen die benzinbasierten Transportsysteme irgendwann vollständig ersetzen werden. Eine auf Wasserstoff statt auf Öl basierende Wirtschaft könnte mehrere entscheidende Vorteile haben. Erstens würden die Fahrzeugemissionen auf Wasserdampf beschränkt, der keine offensichtliche Umweltbedrohung darstellt. Zweitens könnten sich mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge letztendlich als leistungsfähiger pro Masseneinheit Kraftstoff erweisen. Schließlich könnte die Bereitstellung von Wasserstoff potenziell eine erneuerbare Ressource sein, im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die nicht erneuerbar sind.
Alkalische Brennstoffzellen sind der Typ, der in der Weltraumforschung verwendet wird, einschließlich der Apollo-Raumflüge zum Mond. Sie kombinieren Wasserstoff und Sauerstoff zur Stromerzeugung und setzen dabei Wärme und Wasser frei. Als Elektrolyt wird bei diesem Brennstoffzellentyp eine wässrige alkalische Lösung verwendet. Alkalische Brennstoffzellen weisen einen hohen technologischen Entwicklungsstand auf und können einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60 % aufweisen. Die Kosten dieser Brennstoffzellen haben jedoch ihre weit verbreitete Anwendung in terrestrischen Anwendungen verhindert.