تعمل مركبة خلايا الوقود بالكهرباء، لكنها لا تحتاج إلى توصيلها بمصدر طاقة خارجي. فهي تحمل الهيدروجين في خزان، ثم تدمجه مع الأكسجين من الهواء في خلية وقود. ينتج عن التفاعل الكيميائي الكهرباء لتشغيل المحرك، والانبعاث الوحيد هو بخار الماء. إنها سيارة كهربائية بمصدر طاقة مختلف.

تُعدّ مجموعة خلايا الوقود قلب المركبة. فهي تحتوي على مئات الخلايا الفردية، لكل منها قطب موجب (أنود) وقطب سالب (كاثود) يفصل بينهما غشاء. يدخل الهيدروجين إلى القطب الموجب، حيث يقوم عامل حفاز بفصله إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر الغشاء، بينما تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية، مُولِّدةً تيارًا كهربائيًا. عند القطب السالب، يتحد الأكسجين والبروتونات والإلكترونات لتكوين الماء.

تستغرق مركبات خلايا الوقود من ثلاث إلى خمس دقائق لإعادة التزود بالوقود، تمامًا مثل البنزين. ويبلغ مداها ما يقارب مدى السيارات التقليدية، أي حوالي 300 إلى 400 ميل. وتُعدّ تويوتا ميراي وهوندا كلاريتي من أكثر الطرازات شيوعًا. إلا أن محطات الهيدروجين نادرة، إذ يوجد في كاليفورنيا حوالي 50 محطة فقط، بينما لا يوجد أي منها في معظم الولايات الأخرى. كما يُمثّل إنتاج الهيدروجين بطريقة نظيفة تحديًا، حيث يُصنع معظمه اليوم من الغاز الطبيعي، الذي يُطلق ثاني أكسيد الكربون.

تُعدّ خلايا الوقود خيارًا مناسبًا للشاحنات الثقيلة والحافلات والسفن، حيث تكون البطاريات ثقيلة جدًا وبطيئة الشحن. أما بالنسبة لسيارات الركاب، فتتفوق السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، لكن خلايا الوقود تبقى خيارًا مطروحًا.