Als neue Technologie u. a. für die Nutzung in der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Brennstoffzelle angesehen, die besonders im Fokus des öffentlichen Interesses steht.

Im Vergleich zur indirekten Stromerzeugung mittels Verbrennung fossiler oder regenerativer Brennstoffe, bei der über ein Generator die  dabei entstehende thermische Energie in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umgewandelt wird, erzeugt die Brennstoffzellen-Technologie den Strom auf direktem Weg.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die (ähnlich einer Batterie) die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. Der erzeugte Gleichstrom kann in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Die Potentialdifferenz einer einzelnen Brennstoffzelle ist sehr gering (ca. 0,7 Volt), so dass für eine höhere nutzbare Spannung mehrere Brennstoff(mini)zellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschalten werden müssen. Die anfallende Abwärme durch elektrischen Widerstand oder durch vorbereitende Reformierung des Brenngases wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken an einen Verbraucher abgegeben werden.

Bei  stationären Einzelanlagen sind elektrische Wirkungsgrade von 40 bis 50 Prozent die Obergrenze. Gegenüber konventionellen Systemen weisen Brennstoffzellen Vorteile hinsichtlich des elektrischen Systemwirkungsgrad auf, welcher auch im Teillastbetrieb erhalten bleibt. Der Vorzug besteht darin, dass bei Teillast der Wirkungsgrad kaum abfällt und in den im Vergleich zu allen anderen KWK-Systemen deutlich geringeren Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emissionen.

Im stationären Bereich unterscheidet man die Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEMFC, PAFC), welche einen externen Reformer benötigen, um z. B. mit Erdgas betrieben zu werden, sowie die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC), welche aufgrund der hohen Temperaturen auch kohlenstoffhaltige Energieträger direkt nutzen können. Da diese Brennstoffzellensysteme ideal für eine dezentrale Energieversorgung mittels Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden können,

Die Brennstoffzellen-Technologie weist in einigen Bereichen deutliche Vorteile gegenüber den konventionellen KWK-Technologien auf. Die Leistungsanpassung ist aufgrund des modularen Aufbaus der Stacks hervorragend realisierbar. Grundsätzlich sind Brennstoffzellen sehr gut regelbar und weisen einen geringen Wartungsaufwand auf. Problematisch sind einerseits noch die geringen Betriebserfahrungen, der fehlende Nachweis einer hohen Lebensdauer und die hohen spezifischen Investitionsvolumina.

Aufgrund ihrer modularen Bauweise sind Brennstoffzellen-Anlagen von wenigen Watt bis mehrere Megawatt denkbar. Derzeit sind fünf erfolgsversprechende Brennstoffzellen-Typen in der Entwicklung, die sich u. a. auch in Bezug auf das Temperaturniveau der anfallenden Wärme erheblich unterscheiden. Einige Brennstoffzellen-Technologien stehen bereits an der Schwelle der kommerziellen Anwendung.

Durch die Brennstoffzellen-Technik können zukünftig sehr effiziente Hausenergiezentralen auch für Einfamilienhäuser verwirklicht werden. Bei der Energieversorgung für einzelne Häuser verfügt die Brennstoffzelle über weitere Vorteile: kaum bewegte Teile, das heißt wartungsarm (ähnlich einem Brennwertkessel) und leise im Betrieb. Mini-BHKWs mit Brennstoffzellen befinden sich bei vielen Heizgeräteherstellern in der Entwicklungs- und Feldtestphase.

Kommerziell verfügbar und wirtschaftlich ist schon die Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC) der Firma MTU (HotModule) mit einer elektrischen Leistung von 250 kW, von denen weltweit knapp 20 Anlagen in Betrieb sind. Für die Gebäudeheizung im untersten Leistungssegment von 1 bis 5 kW_el sind die PEMFC und die SOFC die aussichtsreichsten Systeme.

Diese Anlagen sind noch nicht käuflich. Nach Abschluss  verschiedener Tests mit Kleinstserien wird eine Markteinführung erst gegen Ende des Jahrzehnts erwartet. Voraussetzung wird ein Preis sein, der unter dem von Motor-BHKW liegen muss. Solange es eine Konkurrenz zwischen den KWK-Systemen gibt, wird es beim Preis noch einige Veränderungen nach unten geben.