والميزة الرئيسية لخلايا الوقود التي تنفرد بها عن غيرها من وسائل توليد الكهرباء هي كفاءتها العالية. وأغلب القوة الكهربائية اليوم تولَّد بطريق الآلات التي تستخدم الحرارة. وكفاءة هذه الآلات محدودة. وتستطيع خلايا الوقود نظريًا أن تحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء دون تغيّر في درجة الحرارة. ومع ذلك تُنتج خلايا الوقود اليوم بعض الحرارة الضائعة.
وفي خلايا الوقود، يؤكْسَد الوقود عند قطب الوقود ويخرج إلكترونات في مستوى طاقة مرتفع نسبيًا. انظر: الأكسدة. وتمثل هذه الإلكترونات التيار الكهربائي الذي تنتجه الخلية. تسري هذه الإلكترونات خلال دائرة خارجية، ثم تعود مرة أخرى إلى القطب المؤكسد على مستوى طاقة منخفض. وهناك يحدث تفاعل مع المؤكسد وتتكون أيونات (وهي ذرات مُحمّلة بالكهرباء، أو مجموعات من الذرات) . تسري هذه الأيونات خلال الإلكتروليت (محلول يحمل تيارًا) بين القطبين الكهربائيين وتكمل الدائرة. وثمة ثلاثة أنواع من خلايا الوقود: خلية الوقود ذات الحرارة المنخفضة، وتستخدم إلكتروليتات مائية، وخلية الوقود ذات درجة الحرارة المتوسطة، وتستخدم الأملاح الذائبة، وخلية الوقود ذات درجة الحرارة العالية، وهي الأكثر كفاءة، وتستخدم إلكتروليتات خزفية صلبة. وهذا النوع من خلايا الوقود يستطيع العمل في درجة حرارة 1,000°م.