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一般に、電解槽は、電気エネルギーの助けを借りて、物質または分子を分離、分解、変換（酸化還元反応）する装置です。水電解槽では、水分子（H₂O）が水素分子（H₂）と酸素分子（O₂）に変換されます。

実際の反応は、電気化学電池内で約 1.4 V の電圧で行われます。実用上の理由から、これらの電池を多数（電気的に直列接続して）積み重ねてスタックにします。電気化学電池周辺の周辺機器はすべて、「バランスオブプラント」という用語に含まれます。

バランスオブプラント（BOP）とは、一般的にエネルギー技術に関連して使われる用語です。これは、発電ユニットや変圧ユニットそのものを除いて、エネルギー変換に必要なすべての補助コンポーネントや補助システムを指します。

電解槽の場合、エネルギー管理（変圧器、インバーター、電力制御装置など）、流体およびガス管理（水調整、流体相と気相の分離、ガス乾燥、ガス圧縮）、熱管理（パワーエレクトロニクスの冷却システム、スタックおよび凝縮の乾燥）が含まれます。

燃料電池は、陽極（水素側）と陰極（空気側）の 2 つの電極で構成されています。両電極は電解質で隔てられています。PEM 燃料電池では、これはプロトンのみを透過する半透膜です。

水素は陽極に供給されます。その後、触媒（通常はプラチナ）の助けを借りてプロトンと電子に分割されます。プロトンはその後、膜を通って陰極に移動します。電子は電気消費装置を介して陰極に流れ、電気エネルギーが供給されます。陰極では、プロトンと電極が周囲の空気中の酸素と結合して水を形成します。

「電気化学電池」という用語は、電解セル、アキュムレーター電池、バッテリー電池、ガルバーニ電池など、さまざまなタイプの電池の総称です。この種の電池は、アキュムレーター電池のように逆の使用も可能な場合があります。これらの電池は充電と放電が可能です。つまり、電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、再び電気エネルギーとして放出することができます。さらに、電解セルの種類によっては燃料電池として作動させることもできます。ここでは、水素と酸素が水に変換される際に、電気エネルギーと熱が放出されます。

電解セルと燃料電池は、バイポーラ板、電極、そして技術に応じてガス拡散層（GDL）と膜で構成されます。「プロトン / アニオン交換膜」（PEM/AEM）が使用される場合、これらは電極に直接接続されることが多く、「膜交換アセンブリ」（MEA）と呼ばれます。

膜交換アセンブリ（MEA）には、複数の解釈があります。触媒層がコーティングされた膜だけを意味する場合があります（片側で陰極反応、反対側で陽極反応）。しかし大抵の場合はガス拡散層が含まれます。ガス拡散層も導電性でなければならないからです。

技術に応じて、膜は異なるポリマーやセラミックからなり、それぞれがプロトン、アニオン（例えば水酸化物アニオン＝OH）、酸素を選択的に輸送することができます。ガス拡散層は、生成されるガス（電解）、特に使用されるガス（燃料電池）を、可能な限り均質に反応部位（触媒層）から、または反応部位（触媒層）に向かって輸送する役割を果たします。これらのガスは、バイポーラ板のチャネルを介して電気化学電池から、あるいは同電池内に導かれます。

複数の電池またはスタック構成で設置されたバイポーラ板は、何よりも、ある電池の陽極と隣の電池の陰極を物理的かつ電気的に接続する役割を担っています。燃料電池のバイポーラ板は、反応ガスを反応ゾーンに導く役割も担っています。この目的のために、両側のプレートにフロープロファイル（流れ場）がフライス加工またはプレス加工され、その中を片側に水素が流れ、もう片側に空気が供給されます。

バイポーラ板は、水素を運ぶ陽極板（マイナス（-）極）と、反応空気を供給する陰極板（プラス（＋）極）という、単独の燃料電池の 2 つの極から構成されています。この板は、水蒸気の除去、熱エネルギーと電気エネルギーの出力の調整も行います。この板は電解セルでは主に、電解槽の冷却、陽極側への反応ガスの供給、反応で発生する水素やガスの除去に使用されます。

電解および燃料電池技術において、スタックとは、ハウジング / フレーム / クランプ要素を含め、直列に接続された電気化学電池のスタックのことです。直列接続は、P=U*I に従って、同じ消費電力で電源電圧を上げ、電流を下げることを可能にします。これとは別に、スタックでの直列接続はシステム全体の設計を簡素化します。

気体水素は高圧で圧縮した後、タンクに貯蔵することができます。例えば輸送分野では、商用車に 350 bar、自動車に 700 bar の圧力レベルが確立されています。700 bar での密度は約 40 kg/m³（350 bar では 24 kg/m³）です。高圧アキュムレータは、少量の貯蔵に対して低コストのソリューションを提供するため、主に自動車や商用車などのモバイル用途で使用されています。
現在、市場には 4 種類の圧力容器があります：

• タイプ 1：圧力容器は金属（通常は鋼）壁のみで構成されています。公称圧力は 200 bar の範囲です。
• タイプ 2：金属壁の他に、樹脂含浸ガラス繊維またはカーボンファイバー製のジャケットを備えた圧力容器で、公称圧力は 1000 bar までになります。
• タイプ 3：金属（通常はアルミニウム）でできたライナーと、カーボンファイバーでできたジャケットがタンク全体を覆っています。公称圧力は、通常 350 または 700 bar です。
• タイプ 4：アキュムレーターのライナーはプラスチック製（通常、ポリアミドまたはポリエチレン）で、ジャケットはタイプ 3 の容器と同様、通常カーボンファイバー製です。公称圧力は、通常 350、500 または 700 bar です。

気体水素貯蔵と比べ、燃料としての液体水素はエネルギー密度（71 kg/m³）の点で有利です。タンク内の圧力も低く保つことができます。このことは、貯蔵タンクの重量や必要スペース、コスト（特に貯蔵量が多い場合）、安全性の面で、タンクシステムにプラスの効果をもたらします。

しかし、極低温水素（-253 °C）の製造コストは無視できません。また、水素は常に冷却していないと発熱します。これによりタンク内の圧力が上昇します。これは「ボイルオフ」ロスにつながる可能性があります。つまり、気体水素は環境中に排出されます。

水素エンジンは、液体燃料（ディーゼルやガソリンなど）の代わりに気体の水素で動くガスエンジンです。純粋な水素を動力源とする純水素エンジンがあります。水素と他のガス（メタンや天然ガスなど）の混合燃料で動くバイフューエル水素エンジンもあります。

既存の燃焼エンジンを、比較的少ない技術的労力で改造することができるため、水素エンジンは、燃料電池に代わるものとして考えられています。しかし、研究によれば、燃料電池の普及が進めば、コスト面での優位性はかなり低下します。加えて、水素エンジンは効率が低く、メンテナンスの必要性が高く、100 % カーボンニュートラルではないというレッテルを貼られています。

「燃料電池電気自動車」（FCEV）は、「バッテリー電気自動車」（BEV）と同様、電気モーターのみを動力源とします。

BEV とは異なり、必要な電気エネルギーは大きなドライブバッテリー（トラクションバッテリーと呼ばれる）によって供給されるわけではありません。その代わり、代替エネルギー源から得た化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。燃料電池を利用することでこれが可能です。

現時点では、燃料電池は、燃焼エンジンのような急速かつ長時間の負荷変化に対応するようには設計されていません。このため、（小型の）ドライブバッテリーも設置されています。これは負荷が低いときに給電され、負荷が高いときに追加エネルギーを供給するものです。これにより、FCEV 走行中は燃料電池を比較的一定の負荷で作動させることができます。

燃料電池発電所（FCPP）、熱電併給（CHP）、燃料電池熱電併給発電所（FC-CHPPP）は、その総合的な効率の高さで傑出しています。使用される燃料電池技術に応じて、現在のところ電気効率は 30 ～ 60 % 程度です。電気と熱は電気化学反応から直接生成されるため、それ以上の変換ステップを必要とせず、総合効率は  95 % を超えます。

燃料電池発電所は、これまで主に 10 kw から 3 MW の出力範囲で開発されてきました。しかし近年では、一戸建て住宅やセミデタッチハウス向けの、電気出力 0.3 ～ 1.5 kW、熱出力 0.6 ～ 2.0 kW のマイクロ・ナノ燃料電池熱電併給発電所の方面で、低出力レンジの開発が進んでいます。高出力レンジでは、すでに約 80 MW の発電所が実現されており、モジュール設計によって今後数年でさらに増加する予定です。

Power-to-X（PtX または P2X とも呼ばれる）とは、可変的な再生可能エネルギーによる余剰電力を、あらゆる技術を支援するために利用することを指します。例えば、これらの余剰エネルギーは、バッテリーに直接貯蔵したり（power-to-power）、熱に変換したり（power-to-heat）、化学エネルギー源の生産に利用したり（power-to-gas、power-to-liquid）することができます。

余剰電力が化学エネルギー源の生産に使われる場合、さらなる区別がなされることがよく見られます（例：power-to-hydrogen、power-to-syngas、power-to-ammonia、power-to-fuel）。

アンモニア（NH3）は窒素と水素の化合物で、通常の状態では気体の形で存在します。ユストゥス・リービッヒによる窒素肥料の開発（1840 年頃）以来、アンモニアは最も重要な基礎化学物質のひとつです。しかし、年間生産量の大幅な増加が可能になったのは、1913 年頃にルートヴィヒスハーフェンの BASF 社でハーバー・ボッシュ法が産業規模で使用されるようになってからでした。今日、アンモニアは最も多く生産される化学物質のひとつであり（2021 年には 1 億 4,650 万トン、その 80 % が肥料用）、他のすべての窒素化合物の生産の基礎となっています。

持続可能な水素経済が発展していることを考えれば、アンモニアの年間生産量のさらなる増加が予期できます。というのも、純粋な水素にくらべ、アンモニアはより輸送や貯蔵に適しているからです。

沸点が -33 °C とかなり高いため、水素（沸点 -252 °C）に比べ、アンモニアの液化ははるかに簡単で安価に済みます。水素に比べてアンモニアの体積エネルギー値が高い（2.8 kWh/l に対して 3.2 kWh/l）ことも、特にロジスティクスにとって非常に重要です。