Yakıt hücreleri, kimyasal reaksiyon sonucu elektrik üreten ve yakıt olarak hidrojen, metanol gibi maddeler kullanan cihazlardır. Hidrojen yakıt hücreleri, yan ürün olarak yalnızca su üreten son derece çevre dostu cihazlardır. Hidrojen yakıt hücreleri ilk defa uzay mekikleri ve diğer yüksek teknoloji uygulamalarında temiz ve etkili güç kaynağı gerekli olduğunda kullanılmaya başlandı. Günümüzde ise hidrojen yakıt hücreleriyle çalışan otomobiller ve otobüslerle seyahat edilmektedir.

Hidrojen yakıt hücresinin çalışma ilkeleri, kataliz temeline dayanır; tepkimeye giren yakıtın elektron ve protonları ayrılır, elektrolit iletken olmadığından elektronlar bir elektronik devre üzerinden geçmeye zorlanır ve bu şekilde elektrik akımı üretilmiş olur. Bir başka katalitik prosesle de geri toplanan elektronlar, protonlarla ve oksitleyiciyle birleşerek atık ürün olarak su, karbondioksit ve ısı açığa çıkar.

Hidrojen anot elektrota, oksijen ise katot elektrota gönderilir. Anot elektrota toplanan hidrojen molekülü, anot üzerinde yer alan küçük kanallardan geçerken elektron bu molekülden ayrılarak molekül iyon yapıya dönüşür. Elektron geçişine izin vermeyen elektrolit sadece hidrojen iyonunun geçişine ve katot elektrota ulaşmasına izin verir. Elektron ise harici bir devreden katoda gönderilir. Katotta buraya gönderilen oksijen (O₂), elektrolit üzerinden gelen hidrojen iyonları ve dış devreden gelen elektronlarla tepkimeye girerek çevrimi tamamlar. Açığa ise saf su çıkar. Dış devre üzerindeki elektron hareketi ise elektrik akımını oluşturur. Bu elektrik akımı doğru akım (DC) formundadır. Reaksiyon neticesinde ayrıca ısı enerjisi de elde edilir. Yakıt pillerinde reaksiyonun hızını arttırmak için katalizör kullanımı da düşünülebilir.

Yakıt pilindeki anot, katot ve elektrolitten oluşan her bir birime "Membran Elektrot Grubu" denir. Her bir membran elektrot grubundan sağlanan elektriksel gerilim değeri teorik olarak 1.2 volt düzeylerinde iken bu değer reel olarak 1 voltun altına düşer. Yüksek gerilim elde etmek için ise her bir membran elektrot grubu seri olarak bağlanır ve istenilen gerilim seviyesine ulaşılır. Bu sisteme "Yakıt Pili Ünitesi" ismi verilir. Daha yüksek akım elde etmek için tepkimeye giren molekül sayısını arttırmak gereklidir. Bu ise anot, katot ve elektrolit yüzeylerinin artırılmasıyla sağlanabilir.

Yakıt pili sistemlerinde atık ısı sıcaklığı (T1) ve maksimum çalışma sıcaklığı (T2) verimi doğrudan etkiler. Sıcaklık arttıkça verim de artar; fakat bu sıcaklık, malzeme dayanım limitleriyle sınırlıdır. Hidrojen için bu teorik verim değeri üst ısıl değer için %83, alt ısıl değer için ise %98 seviyelerindedir. Teorik hidrojen yakıt pili hücre gerilimi ise 1.229 volttur. Gerçekte bu gerilim, kayıplar sebebiyle 1 voltun altına düşmektedir. Dolayısıyla gerçek verim, teorik verimin altında oluşmaktadır.

Yakıt pillerinin verimi yüksek olduğu kadar enerji yoğunluğu da yüksektir. 2 MW'lık bir güç istasyonu 20 m² kadar bir alana kurulabilir. Bu durumda elektriğin tüketicilerin bulunduğu yerleşim alanlarından uzakta üretilmesine gerek kalmaz. Böylece santrallerden tüketicilere kadar uzanan binlerce kilometrelik iletim hatlarına ve aradaki transformatörlere de gereksinim duyulmaz. Ayrıca, iletim hatlarında meydana gelen elektrik kayıpları da engellenir.

Hidrojen yakıt hücreleri, gelecekte enerji üretiminde önemli bir rol oynaması beklenen teknolojiler arasında yer almaktadır. Çevre dostu yapısı ve yüksek verimliliği ile fosil yakıtların yerini alabilecek potansiyele sahiptir. Ayrıca, enerji depolama ve taşımada da önemli avantajlar sunmaktadır. Yapılan araştırmalar ve geliştirilen yeni teknolojiler sayesinde hidrojen yakıt hücrelerinin maliyetleri düşmekte ve kullanım alanları genişlemektedir.