Gorivne ćelije generišu energiju putem procesa suprotnog elektrolizi. Naime, u gorivim ćelijama se elektrohemijskim procesom iz goriva bogatih vodonikom, obično prirodnog gasa ili matanola, izdvaja vodonik, koji u kombinaciji sa kiseonikom proizvodi električnu energiju i vodu. Dakle gorivo se, umesto da sagoreva, efikasnim elektrohemijskim procesom pretvara u električnu energiju.

Osnovna razlika između gorive ćelije i baterija je u tome da ni gorivo ni oksidaciona substanca nisu integralni delovi gorive ćelije, već se njihovo snabdevanje odvija po potrebi i zahtevima potrošača, dok se otpadni proizvodi neprekodno uklanjaju. Kako se u gorivu koje se dovodi na anodu nalazi velika količina vodonika, a na katodu dovodi kiseonik, otpadni proizvod je samo čista voda.

Gorivne ćelije imaju malo pokretnih delova i proizvode veoma malu količinu otpadnih gasova ili toplote. Sa konstrukcionog aspekta gorivna ćelija se sastoji od nekoliko ključnih komponenti: anode, na koju se dovodi gorivo, katode, na koju se dovodi oksidaciona substanca (kiseonik), polupropusne membrane, katalizatora i elektrolita koji omogućava protok jona sa anode na katodu, ali ne i elektrona i reaktanata. Hemijska reakcija koja se odigrava u gorivnoj ćeliji ekvivalentna je procesu sagorevanja, ali kako se reaktanti prostorno razdvajaju, protok elektrona koji spontano teče od goriva ka oksidacionoj substanci (kiseoniku) je zaustavljen i skrenut ka spoljašnjem kolu.

Pošto jedna gorivna ćelija proizvodi napon od oko 1V, u cilju dobijanja većih napona ćelije se vezuju na red, a toplota koja se oslobađa u toku procesa može da se koristi za različite procese, što gorivnim ćelijama daje mogućnost kombinovanja sa generatorima struje i toplotne energije u industriji ili stambenim objektima.

Kao i sistemi za sagorevanje, gorivne ćelije (uz pomoć reformera) mogu da koriste naftu, prirodan gas, ugalj ili metanol, sa tim što se ova goriva moraju prethodnim procesom dovesti u odgovarajuće hemijsko stanje sa obogaćenim vodonikom. Gorive ćelije takođe mogu da koriste vodonik dobijen elektrolizom vode koristeći pomoćne izvore električne energije, kao što su fotonaponski solarni sistemi ili energija vetra.

Gorivne ćelije imaju četiri osnovne prednosti: veći broj ćelija se može grupisati u pakete različitih dimenzija, lako se mogu instalirati zbog praktično zanemarljivog uticaja na prirodnu okolinu, zahtevaju minimalne uslove održavanja i mogu da koriste različita goriva koja se lako i brzo mogu menjati. Postoje i sekundarne prednosti, kao što su strujno-naponska reaktivna kontrola, mogućnost brzog starta sistema, rad koji ne zahteva nadzor, itd.

Postoje četiri tipa gorivnih ćelija i one se razlikuju po vrsti elektrolita.
Jedan od interesantnijih tipova gorivnih ćelija je tip sa protonskom membranom (PEM).
PEM gorive ćelije imaju relativno nisku radnu temperaturu od 80°C do 200°C a efikasnost iznosi oko 60%. Današnji stepen razvoja i konstrukcije gorivih ćelija je takav da omogućava njihovu praktičnu primenu u automobilskoj, energetskoj i građevinskoj industriji, ali i za potencijalno manje primene kao što su baterije za razne prenosive uređaje. Protonska membrana je tanka plastična ploča kroz koju prolaze vodonikovi joni. Membrana je sa obe strane obložena disperzionim slojem metalnih čestica (uglavnom platine) koji predstavljaju aktivne katalizatore. Elektrolit je obično polimerna organska kiselina u čvrstom stanju. Vodonik se dovodi na anodu gde katalizator omogućava oslobađanje elektrona koji u formi električne struje, putuju ka katodi na koju se dovodi vazduh, odnosno kiseonik. Joni vodonika (protoni), dobijeni nakon izdvajanja elektrona, difunduju se kroz membranu i prelaze na katodu na kojoj se atomi vodonika povezuju sa kiseonikom, stvarajući vodu i zatvarajući ciklus. Ovakav tip ćelije je osetljiv na nečistoće, a njihova izlazna snaga iznosi od 50 do 250 kW. Sistem za generisanje električne energije sastoji se od paketa gorivnih ćelija, podsistema za regulaciju goriva i vazduha, podsistema za regulaciju toplote, podsistema za regulaciju vode, kao i kontrolnog sistema. Sistem se stavlja u pogon jednim pritiskom na dugme i električna energija počinje da se generiše u roku od samo pet sekundi. Sistemi sa PEM gorivim ćelijama već su isprobani i koriste se u prototipovima nekih automobila i autobusa, a konstruisane su i elektrane koje koriste veliki broj gorivnih ćelija (od nekoliko stotina do nekoliko hiljada).

Ciljevi u daljem razvoju PEM gorivnih Ćelija.
Željeni ciljevi su da katalizator bude od takvog materijala koji će omogućiti brže cepanje molekula vodonika i kretanje elktrona sa što manjim unutrašnjim otporom. Takođe traži se materijal od kog će se napraviti protonska membrana koja će omogućiti brži prolazak jona ka katodi.
Na taj način bi se povećala snaga gorivnih ćelija to jest povećala bi se oslobođena energija u jedinici vremena, što bi dovelo do toga da bi sama gorivna ćelija iste snage bila nekoliko punta manja i lakša.