Топливный элемент генерирует электричество напрямую, путём возбуждения электрохимической реакции водорода/кислорода (см. иллюстрацию выше). Водород можно получить из различных веществ, от природного газа до биогаза, а благодаря тому, что топливные элементы не сжигают топлива, они вообще не выделяют никаких вредных газов. Топливные элементы имеют 60%-ный теоретический коэффициент эффективности преобразования энергии, и его можно увеличить до 80% и выше, если использовать ещё и тепло, выделяемое при химической реакции. Эти коэффициенты выше, чем у любой другой генераторной системы, и это ещё одно неоспоримое преимущество топливных элементов. Топливные элементы сначала использовались в 1960-х годах в качестве источника энергии для космических кораблей, а со времён нефтяных кризисов 1970-х годов разработчики многих стран ведут исследования в направлении применения топливных элементов вместо тепловых электростанций.

Разработка топливных элементов в Японии продвинулась вперёд благодаря двум 10-летним комплексным планам в рамках национального проекта, начатого в 1981 году. Результатом одного проекта стала организация серийного производства топливных элементов на основе фосфорной кислоты (ТЭФК). Когда несколько лет назад производство ТЭФК находилось на начальном этапе развития, около 200 таких устройств было установлено в различных регионах Японии, каждое из них генерировало от 50 до более 200 кВт электроэнергии. В наши дни функционирует ещё несколько десятков подобных устройств, которые вырабатывают электроэнергию для заводов и общественных зданий в объеме около 10 000 кВт. Но стоимость электричества от ТЭФК составляет от 400 000 до 500 000 иен за кВт, а это намного дороже, чем стоимость электричества, вырабатываемого газовой турбиной. По этой причине ТЭФК сегодня не получили широкого распространения.

В рамках национального проекта разрабатывались различные топливные элементы, а один из них в последнее десятилетие совершенствовался особенно быстро—это топливный элемент на полимерной электролитной мембране (ТЭПЭМ). Он генерирует достаточно большое количество электричества при комнатной температуре, что позволяет использовать его в домах и автомобилях. В конце 2002-го года компании Тойота и Хонда завершили производство своих ТЭПЭМ-приводных “автомобилей на топливных элементах”. Две эти компании предоставили в общей сложности семь таких автомобилей Секретариату Кабинета Министров Японии и Министерству экономики, торговли и промышленности. Хонда также поставила три автомобиля в город Лос-Анджелес в США.

Автомобили FCX на топливных элементах фирмы Хонда оснащены ТЭПЭМ с максимальной мощностью 78 кВт. Резервуары высокого давления (350 атмосфер) вмещают 156 литров чистого водорода. Автомобиль может преодолеть расстояние в 355 км, а максимальная скорость его достигает 150 км/час. Когда автомобиль начинает движение и ускоряется, высокоэффективные конденсаторы большой ёмкости (м. зту cтраницу), вырабатывают электроэнергию вместо батарей. Водители-испытатели были удивлены скоростью разгона. Но остаётся ещё множество проблем, например, каждый такой автомобиль стоит более 100 миллионов иен и не решен вопрос строительства водородных заправочных станций. Но благодаря двум преимуществам, не присущим электромобилям, большому пробегу и превосходному ускорению, автомобили на топливных элементах скорее всего станут автомобилями номер один для следующего поколения.

Дополнительным результатом разработки ТЭПЭМ является топливный элемент на чистом метаноле (ТЭЧМ). В качестве топлива в нём применяется метанол вместо чистого водорода, водород получается уже из метанола. Так как ТЭЧМ менее опасен, чем заправленный водородным топливом ТЭПЭМ, данный топливный элемент можно сделать довольно компактным. Это подтолкнуло ведущих производителей электронной аппаратуры заняться производством ТЭЧМ компактных размеров для питания портативных компьютеров и сотовых телефонов.

В 2003 году компания Тосиба опубликовала информацию о прототипе отдельного карманного модуля на ТЭЧМ для подзарядки батарей сотового телефона. Контейнер прототипа содержит 25 куб.см метанола и этого количества достаточно для снабжения электроэнергией шести литиевых батарей современных сотовых телефонов. Тосиба планирует в 2004 году поставить на рынок устройство для портативных компьютеров, а в 2005 году—для сотовых телефонов.

При производстве электричества топливные элементы выделяют только воду либо воду с небольшим количеством углекислого газа. Это тот тип источника экологически чистой энергии, о котором мы когда-то могли только мечтать. Пройдет много лет, пока топливные элементы смогут удовлетворить все потребности обычного дома в электричестве, но уже довольно скоро они смогут приводить в действие портативные устройства и автомобили.