Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes (z.B. Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (z.B. Luftsauerstoff) in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher wie ein Akku, sondern ein Energiewandler.

Der Antrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs erreicht einen doppelt so hohen Wirkungsgrad wie ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Das liegt hauptsächlich daran, dass die chemische Energie des Brennstoffs (Wasserstoff) direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Kernstück der PEM-Brennstoffzelle ist eine Protonen-leitende Kunststofffolie, die sogenannte Proton Exchange Membrane (PEM). Sie trennt die Reaktionspartner Sauerstoff und Wasserstoff voneinander. Die nur wenige Zehntelmillimeter dicke Kunststofffolie ist beidseitig dünn mit Platin beschichtet. Diese Platinschicht dient als Katalysator für die chemische Reaktion die den Wasserstoff in Protonen und Elektronen zerlegt. Während die Protonen durch die Folie zum Sauerstoff fließen, ist der Durchgang für die Elektronen gesperrt. Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff zu Wasser, das in die Umgebung abgeführt wird. Durch den Elektronenüberschuss auf der Wasserstoffseite und den Elektronenmangel auf der Sauerstoffseite entsteht eine elektrische Spannung. Werden die beiden Pole miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom, der den Elektromotor des F-CELL Fahrzeugs antreibt. Bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht neben elektrischer Energie auch Wärme, die beispielsweise zum Beheizen des Fahrzeugs genutzt werden kann.

Um eine für Brennstoffzellenfahrzeuge ausreichende elektrische Leistung zu erreichen, werden einzelne Brennstoffzellen zu Stacks elektrisch in Reihe geschaltet. Eine Steuereinheit stellt die bedarfsgerechte Versorgung des Stacks mit Wasserstoff sowie Sauerstoff aus der Luft sicher. Der Wasserstoff wird dabei dem Stack über das Anodenmodul zugeführt, die Luft über das Kathodenmodul. Ein Befeuchtermodul führt dem Stack Feuchtigkeit zu, um optimale Betriebsbedingungen innerhalb des Stacks zu erzielen. Ein Kühlsystem hält die Brennstoffzelle immer auf ihrer optimalen Betriebstemperatur von zirka 80 Grad Celsius.

Der Brennstoffzellen-Stack für die B-Klasse F-CELL wird von der Automotive Fuel Cell Cooperation mit Sitz in Vancouver entwickelt. Das Unternehmen wurde 2007 mit Daimler als Mehrheitseigner (50,1 Prozent) gegründet. Weitere Partner sind die Ford Motor Company (30 Prozent) und Ballard Power Systems (19,9 Prozent).

Die Entwicklung der Aggregate zum Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks und die Integration des Stacks in das Brennstoffzellen-System erfolgt bei der NuCellSys GmbH. Das 100-prozentige Tochterunternehmen der Daimler AG ist für Systementwicklung und Design, Komponenten- und Softwareentwicklung sowie die Systemvalidierung verantwortlich.