ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพในระบบของวัฏจักรการ์โนต์ ซึ่งใช้กับระบบเครื่องยนต์ที่มีการสันดาป เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้มีการทำงานเป็นวัฏจักรที่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถมีประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าที่สูงมากได้

ในตัวอย่างง่ายๆ ของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ hydrogen/oxygen proton-exchange membrane หรือ polymer electrolyte (PEMFC) พอลิเมอร์ที่ให้โปรตอนผ่านได้จะแยกฝั่งแอโนดและแคโทดออกจากกัน แต่ละด้านจะมีขั้วไฟฟ้าของตัวเอง ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นแผ่นคาร์บอนเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม

ในด้านของแอโนด ไฮโดนเจนจะแพร่เข้าสู่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้านแอโนด ทำให้มันแตกตัวออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนจะวิ่งผ่านเยื่อกั้นไปที่แคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเข้าสู่วงจรไฟฟ้าภายนอก (ให้พลังงานออกมา) เพราะว่าเยื่อกั้นนั้นไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้

ในด้านของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แคโทด โมเลกุลของออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน ซึ่งวิ่งมาจากแอโนดผ่านวงจรภายนอก และมาพบกับออกซิเจนและโปรตอนที่ด้านนี้กลายเป็นน้ำ

ในตัวอย่างนี้ของเสียที่เกิดขึ้นคือไอน้ำหรือน้ำที่เป็นของเหลวเท่านั้น แม้ในสภาวะเยือกแข็งน้ำก็ต้องถูกกำจัดออกจากระบบ ประสิทธิภาพและอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิต่ำลง นอกจากนี้ปัญหาอีกอย่างหนึ่งได้แก่ปัญหาความทนทานต่อ CO ของแอโนดซึ่งค่อนข้างจำกัด

เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานได้เหมือนกับแบตเตอรี่ แต่ในบางสถานการณ์ เช่นเดียวกับ โรงไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง (แสงอาทิตย์ ลม) มันสามารถทำงานร่วมกับ electrolyzer และระบบเก็บสะสมพลังงานเพื่อเก็บพลังงานไว้ได้ ประสิทธิภาพโดยรวมจากไฟฟ้าเป็นไฮโดรเจนและกลับมาสู่ไฟฟ้าอีกสำหรับโรงไฟฟ้าแบบนี้อยู่ที่ 30-40%

นอกจากไฮโดรเจนบริสุทธิ์ นักวิจัยยังได้ใช้เชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนประเภทอื่น เช่น ดีเซลล์ เมทานอล และสารเคมีที่เก็บไฮโดรเจนได้ ได้แก่โลหะบางชนิด