В любой клетке, как и в топливном элементе, основным субстратом служит водород. Однако в клетке он находится не в свободном, газообразном состоянии, а связан с переносчиком (газообразный водород, выделяющийся в атмосферу, образуют лишь некоторые виды бактерий). Переносчики водорода - целая группа химических соединений, среди которых наибольшее значение имеет никотинамидаде-ниндинуклеотид (НАД). Это сложное соединение с молекулярной массой 633 дальтона способно переносить всего два атома водорода с общей массой равной двум. Эффективность почти такая же низкая, как у гемоглобина, однако фактически НАД работает значительно эффективнее, так как оборачиваемость у него очень высока - до нескольких тысяч в минуту. Это ведь внутриклеточный переносчик, и расстояния, на которые он транспортирует водород, измеряются микрометрами или их долями.

Таким образом, задача заключается в том, чтобы атомы водорода, которые образуются внутри клеток, не расходовались (не окислялись) там для собственных нужд, а выводились "челноком" наружу для окисления в топливном элементе. Первую часть задачи выполнить относительно просто - надо либо поместить клетку в бескислородные (анаэробные) условия, либо разрушить кислородный конец дыхательной цепи сильнодействующим средством, например, окисью углерода или цианистой кислотой. Подобрать подходящий "челнок" значительно труднее. Пожалуй, лучше всего для этого подходит система из молочной и пировиноградной кислот, которые относительно хорошо проникают через большинство клеточных мембран.