Ogniwo paliwowe to elektrochemiczny konwerter energii, w którym wodór i tlen reagują, w sposób kontrolowany i bez spalania, na wodę, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną i ciepło. Ten sam proces działa odwrotnie podczas elektrolizy. Ogniwo paliwowe ma konstrukcje podobna do baterii jest podzielone na dwie części: anodę oraz cienką membranę – Polimerową Membranę Elektrolitową (PEM). Membrana ta jest pokryta z obu stron katalizatorem i elektrodą przepuszczającą gaz.
Wodór dostaje się do układu przez cienkie kanały gazowe po stronie anody, natomiast tlen po stronie katody. Rozkładany jest na elektron na anodzie i proton wodoru. Dodatnio naładowane protony mogą przepływać przez PEM, natomiast ujemne elektrony nie. W ten sposób wytwarzany jest prąd. Jeśli elektrody są połączone, płynie prąd stały. Produktem ubocznym tej reakcji elektrochemicznej jest: ciepło wytworzone podczas reakcji, czysta woda (H2O) oraz niewykorzystany tlen.
Ogniwo paliwowe działa jak generator prądu, jest urządzeniem elektrochemicznym, które przekształca energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną. Najczęściej paliwem zasilającym jest wodór, który łączy się z tlenem w wyniku czego powstaje prąd, woda oraz ciepło. W procesie tym nie powstają żadne inne produkty, dlatego też energia elektryczna uzyskana w ten sposób jest neutralna dla środowiska. Budowa ogniwa paliwowego jest niezwykle prosta. Z jednej strony dostarczany jest wodór, który na anodzie rozbijany jest na proton i elektron. Pomiędzy elektrodami znajduje się membrana (elektrolit), która przewodzi tylko protony, wobec czego elektrony kierowane są zewnętrzną ścieżką.
Obecnie wykorzystuję się szereg różnych typów ogniw paliwowych. Najbardziej popularnym i najdalej rozwiniętym rodzajem są membrany polimerowe (PEM) stosowane np. w elektrolizerach. Średnia sprawność ogniw paliwowych wynosi 50-60 %. 1 kg wodoru może wyprodukować około 16 kWh energii elektrycznej.