В силу уникальных физико-химических свойств водорода, этот газ является наиболее привлекательным видом топлива для ТЭ. На данный момент основные методы получения водорода включают паровой риформинг, частичное окисление и автотермальный риформинг углеводородов, а также конверсию биотоплива. Для твердополимерных топливных элементов предпочтительной технологией является высокоселективное окисление CO. Для использования ТЭ, работающих на водороде, на транспорте и в мобильных устройствах выбирается оптимальный способ хранения либо локального производства водорода.
Известно несколько способов хранения водорода: получение жидкого водорода, сжатие газообразного водорода, металлогидриды, борогидриды, углеродные нанотрубки, цеолиты и металлоорганические каркасы. Наиболее распространённым остаётся хранение водорода в сжатом виде в легких баллонах из полимерных и углеродных волокон под давлением до 700 атм. Прямое использование жидкого топлива в ТЭ выгодно из-за большей плотности запасённой энергии по сравнению с газообразным топливом. Жидкое топливо, такие как метиловый и этиловый спирты, относительно дёшевы, просты в обращении, транспортировке и хранении. Однако стоит отметить, что плотности мощности ТЭ на жидком топливе ничтожно малы по сравнению с плотностями мощности топливных элементов на газе при схожих режимах работы, в основном, из-за медленной кинетики процесса окисления относительно больших молекул, вовлекающего до 18-ти электронов и не исключающего многочисленных побочных реакций.
Также, наряду с более высокой плотностью запасённой энергии, нужно принимать во внимание возможные экологические проблемы использования такого топлива. Метанол, производимый, в основном, риформингом природного газа, является очень токсичным и легко воспламеняемым. Выгодной альтернативой для мобильных устройств в силу гораздо меньшей потенциальной опасности является этиловый спирт, который может быть синтезирован из ацетилена, либо получен спиртовым брожением. Электрохимическое окисление большинства жидкого топлива является, к сожалению, преимущественно неполным. Например, основные продукты электроокисления метанола – формальдегид и муравьиная кислота. Формальдегид – очень едкий, токсичный канцероген. В случае этанола основное препятствие кроется в прочной C–C связи; продуктами являются ацетальдегид и уксусная кислота. Диметиловый эфир также может быть использован в качестве топлива, поскольку является самым простым эфиром без C–C связей и менее токсичен по сравнению с метанолом. Однако, основными продуктами прямого электроокисления диметилового эфира в ТЭ оказываются всё тот же метанол и метилформиат, причём доля метанола не зависит от тока, но растёт с температурой. Дальнейший перебор возможных топлив даёт сходные результаты.
Таким образом, эксплуатация ТЭ на жидком топливе неизбежно связана с очисткой либо переработкой продуктов реакции.