作为未来几十年发展进程中的重点，燃料电池将有希望使燃煤电厂的热效率跨入新阶段。《报告》指出，先进碳燃料电池技术包括直接碳燃料电池和整体煤气化燃料电池。
直接碳燃料电池（DCFC）采用消耗粉煤的阳极系统。阴极系统消耗周围空气中的氧气。低电压电池（0.6~0.9伏直流电）堆栈获得高直流电压和电流，随后转变成标准交流电力。阳极废气富含二氧化碳，电池工作温度范围为650℃~1000℃。
DCFC的主要吸引力在于，只需花费与传统粉煤电厂相当的成本就可以建立一座全规模的一体化发电厂，并获得非常高的煤—电转换效率（有可能超过60%）。
目前，DCFC技术处于实验室规模发展阶段，电力输出不到1千瓦。基于这种技术的全规模发电厂需要放大约10万倍，并需要投入大量的时间和工作将这一技术实现实际使用。
虽然DCFC电化学概念已经得到证实，但仍然面临重大挑战，包括如何开发经济合理的煤炭原料预处理系统以满足DCFC质量要求。
同时，实现DCFC电池与电池堆5年寿命的目标，也需要付出巨大努力，以便能经济地处理在预处理过程中未从煤炭中去除的污染物，如硫、氮、卤素和灰成分等。
此外，还需要为DCFC电池进行经济、耐用和可维护的设计，包括为单个电池供应空气和煤炭，无泄漏与旁路等问题。
当前全球DCFC发电厂的关键发展途径是以煤炭作为燃料，可以制造和运行耐用的单个电池，并实现目标寿命。之后的挑战就是燃料电池发电厂开始运行时需解决的经济制造、耐久性机械电池堆装配，以及相关机械耐久性等问题。
整体煤气化燃料电池（IGFC）发电厂是一种燃煤发电先进概念，燃气轮机由燃料电池代替，将合成气直接转变为电能，同时产生多余热能。
目前全球范围内正在发展多种类型的燃料电池，但固体氧化物燃料电池（SOFC）可能是最佳应用选择，包括二氧化碳捕集——因为SOFC能将清洁的、未变换的合成气（一氧化碳和氢气）转变为二氧化碳和水，将水冷凝并采用精炼方式除去杂质后，可以进行二氧化碳压缩和封存。
不过，利用合成气工作的SOFC仍然是一项不成熟的技术。美国能源部的目标是到2015年能运行一个5兆瓦的发电系统。在此技术基础之上，要将一个成功的5兆瓦发电系统约放大100倍形成一个全规模的发电厂，但目前看来在2025年之前还不太可能实现。
与实现DCFC类似，如何用经济的方式除去煤基合成气中的可能污染物（包括硫、氮、卤素和灰成分）以满足SOFC的质量要求、实现电池与电池堆5年寿命的目标，将是一个主要任务。
同样与DCFC类似的是，SOFC实现还需要进行经济、耐用和可维护的设计。
