Brennstoffzellen werden interessant aufgrund ihrer geringen Umweltverschmutzung und ihres (theoretisch) hohen Wirkungsgrades. Bei den Brennstoffzellen ist es möglich die chemische Energie des Brennstoffs direkt in Elektrizität umzuwandeln, da die Brennstoffzelle nicht vom die Verbrennungs- und Dampfmaschinen begrenzenden Carnot-Effekts beeinflusst sind. Wird die chemische Energie mittels Wärme (z.B. bei der Benzinverbrennung) in Leistung umgewandelt, wird deren maximaler theoretischer Wirkungsgrad begrenzt durch die Reaktionstemperatur:

Bei Brennstoffzellen kann der theoretische Wirkungsgrad, neben vielen anderen Möglichkeiten, als das Verhältnis zwischen der verfügbaren chemischen Energie (freie Energieänderung der Brennstoffzellenreaktion, DG) und dem höheren Heizwert der Brennstoffzellenreaktion (Enthalpieänderung der Brennstoffzellenreaktion, DH) bezeichnet werden.

Wie in der nachfolgenden Abbildung zu sehen ist, besitzen die Brennstoffzellen über einen großen Temperatur- und Leistungsbereich eine potenziell höhere Wirksamkeit als die Carnot-Technologie. Verbrennungs- und Wärmekraftmaschinen sind gut geeignet für stationäre Anwendungen, in denen nur ein geringer Bereich hoher Leistung benötigt wird. Außerhalb diese Bereichs sinkt der Wirkungsgrad (die Effektivität) jedoch sehr. Brennstoffzellen haben, wo auch immer eingesetzt, einen hohen Wirkungsgrad über einen großen Leistungs- und Temperaturbereich und sind dadurch perfekt für dynamische Lastzyklen geeignet. Weiterhin besitzen Brennstoffzellensysteme besonders in sehr niedrigen Leistungsbereichen hohe Wirkungsgrade.

Um den Unterschied der beiden Technologien besser zu verstehen, sei das Beispiel des Autofahrens genannt. Während eines Staus auf der Autobahn arbeitet der Verbrennungsmotor in einem hohen Wirkungsgradbereich, dem optimalen Bereich der roten Kurve. Steht das Auto dagegen in einer Stadt im Stau, fährt es häufig an und steht nach kurzer Zeit wieder, welches mit dem Auf und Ab des linken Teils der roten Kurve einhergeht. Dies beweist die schon gut bekannte Tatsache, dass der Stau in der Stadt eine höhere Umweltverschmutzung aufgrund geringerer Effektivitäten verursacht. Vergleicht man das selbe Beispiel für eine Brennstoffzelle (grüne Kurve), so ist zu erkennen, dass eine Brennstoffzelle ihre höchste Leistungsfähigkeit immer im Bereich der niedrigen Lasten hat. Eine Brennstoffzelle würde also sehr viel besser im städtischen Stau, aber auch sehr effektiv während gleichbleibender Belastungen, arbeiten.

Jedoch haben Brennstoffzellen nicht für alle Anwendungen einen höheren Wirkungsgrad als Wärmekraftmaschinen oder Turbinen. Für große stationäre Anwendungen in denen Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC, MCFC) eingesetzt werden, erbringt eine Kombination der beiden Technologien die besten Ergebnisse. Die überschüssige Wärme einer Brennstoffzelle würde in eine Wärmeturbine geführt werden und bewirkt so eine höhere abführbare elektrische Leistung.

Die Verluste in Brennstoffzellen gehen mit einem geringeren Leistungsertrag einher. Je mehr Strom aus einer Zelle gewonnen wird, desto höher sind die Verluste. Dies kann durch eine fallende Zellspannung bei gleichzeitig steigendem Strom gezeigt werden. Nachfolgend ist ein typisches Spannung-Strom-Kurve (U-I-Kurve) einer Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle dargestellt.

Gebe es keine Verluste in einer Brennstoffzelle, so würde sich die Zellspannung unabhängig vom Zellstrom ständig bei der theoretischen Spannung befinden. Diese ideale Zellspannung (E_rev) einer Brennstoffzelle kann aus der verfügbaren freien Energie DG berechnet werden.

Hierbei ist DG die freie Gibbs´sche Energie, n die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen und F die Faraday-Konstante (94685 C/mol). Erev ist weiterhin abhängig von den Betriebsbedingungen wie Temperatur, Druck und Konzentration der Reaktanden. Der Unterschied zwischen idealer Zellspannung und Betriebsspannung wird als Überspannung bezeichnet und stellt die Verluste innerhalb der Brennstoffzelle dar. Das Verhältnis zwischen der theoretischen Spannung E_rev und der aktuellen Betriebsspannung (E_zell) ist der genauere Weg zur Darstellung des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle.

Die Verluste in einer Brennstoffzelle können unterschieden werden in Brennstoff-Crossover und interne Stromverluste, Aktivierungsverluste, ohmsche Verluste und Massentransportverluste. Der Brennstoff-Crossover und die internen Stromverluste rühren vom Brennstofffluss und dem elektrischen Strom im Elektrolyten her. Der Elektrolyt sollte nur ionen transportieren, jedoch fließt ebenfalls ein geringer Teil des Brennstoffs und der Elektronen durch den Elektrolyten. Ungeachtet dieser geringen Mengen an Brennstoff-Verlusten und der internen Stromverluste ist dies der Hauptgrund weshalb die Betriebsspannung (OCV) geringer als die theoretische Spannung ist. Die Aktivierungsverluste kommen von der Trägheit der Reaktion an der Reaktionsoberfläche. Ein weiterer Teil der Spannung wird durch die elektrochemische Reaktionskinetik verloren. Dies ist im linken Teil der U-I-Kurve zu erkennen.

Die ohmschen Verluste sind ein konstanter Widerstand zum Ionenfluss im Elektrolyten und der Elektronen durch die Zelle an sich sowie in verschiedenen internen Verbindungen. In diesem Bereich fällt die Spannung direkt proportional zur Stromdichte ab und wird deshalb als „ohmsche Verluste“ bezeichnet.

Massentransportverluste resultieren von der Erhöhung der Konzentration der Reaktanden an der Oberfläche der Elektroden an denen sich der Brennstoff befindet. Beim maximal (limitierenden) Strom ist die Konzentration an der Oberfläche des Katalysators praktisch Null, da die Reaktanden sofort verbraucht werden, wenn sie an die Oberfläche gelangen.

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