Liquide ou solide, le matériau conducteur de l’électrolyte permet de maîtriser le passage des électrons.

Un réservoir fournit en continu l’anode et la cathode en combustible : dans le cas d’une pile à hydrogène, l’anode reçoit de l’hydrogène et la cathode de l’oxygène, autrement dit de l’air.
L’anode provoque l’oxydation du combustible et la libération d’électrons, contraints par l’électrolyte chargé en ions de passer par un circuit externe. Ce circuit externe offre donc un courant électrique en continu.

Ions et électrons, réunis dans la cathode, se recombinent ensuite avec le second combustible, généralement l’oxygène. Il s’agit de la réduction, générant de l’eau et de la chaleur en plus du courant électrique.
Tant qu’elle est approvisionnée, la pile fonctionne en continu.

À l'anode, on a donc une oxydation électrochimique de l'hydrogène :

H2 → 2H+ + 2e-

À la cathode, on observe la réduction de l'oxygène :

1⁄2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

Le bilan global est alors :

H2 + 1/2 O2 → H2O

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) :
Les PEMFC utilisent une membrane polymère, souvent en Nafion®, comme électrolyte. Elles fonctionnent à des températures relativement basses (environ 80-100°C) et sont principalement utilisées dans les applications de transport, telles que les voitures à hydrogène, en raison de leur démarrage rapide et de leur haute densité de puissance.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC) :
Les SOFC utilisent un électrolyte solide, tel que l'oxyde de zirconium stabilisé à l'yttria (YSZ), et fonctionnent à des températures élevées (environ 600-1000°C). Elles sont efficaces pour la production d'électricité stationnaire et la cogénération en raison de leur haute efficacité et de leur faible sensibilité aux impuretés de combustible.

Piles à combustible à oxyde solide à haute température (HT-SOFC) :
Les HT-SOFC sont une variante des SOFC qui fonctionnent à des températures encore plus élevées (au-dessus de 800°C). Elles offrent des rendements élevés et peuvent être alimentées par divers combustibles, ce qui en fait une option attrayante pour les applications stationnaires nécessitant une haute efficacité.

Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) :
Les MCFC utilisent un électrolyte de carbonate fondu à haute température (environ 600-700°C). Elles sont efficaces pour la cogénération et peuvent fonctionner avec des combustibles contenant du dioxyde de carbone, ce qui les rend utiles pour la capture et le stockage du CO2.

Piles à combustible alcalines (AFC) :
Les AFC utilisent un électrolyte alcalin, généralement une solution aqueuse de potasse ou d'hydroxyde de sodium. Elles sont efficaces et peu coûteuses, mais elles nécessitent des catalyseurs à base de platine et fonctionnent mieux avec de l'hydrogène pur, ce qui limite leurs applications.

Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) :
Les PAFC utilisent un électrolyte d'acide phosphorique contenu dans une membrane en acide polybenzimidazole. Elles fonctionnent à des températures relativement élevées (environ 150-220°C) et sont souvent utilisées dans les applications stationnaires de cogénération et de production d'électricité.

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) :
Les piles à combustible PEM sont parmi les plus couramment utilisées, en particulier dans les applications de transport et stationnaires. Elles offrent un rendement élevé, généralement compris entre 40 % et 60 %. Cependant, ce rendement peut varier en fonction de facteurs tels que la température de fonctionnement, la pression d'hydrogène et les pertes dans le système.

Piles à combustible à oxyde solide (SOFC) :
Les piles à combustible SOFC sont connues pour offrir des rendements élevés, généralement supérieurs à 50 %. Certaines piles à combustible SOFC de pointe peuvent atteindre des rendements supérieurs à 60 %. Elles sont souvent utilisées dans des applications stationnaires où la haute efficacité est essentielle.

Piles à combustible à oxyde solide à haute température (HT-SOFC) :
Les HT-SOFC fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées que les SOFC conventionnelles, ce qui leur permet d'atteindre des rendements encore plus élevés, généralement supérieurs à 60 %. Ces piles à combustible sont principalement utilisées dans des applications stationnaires et de cogénération.

Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) :
Les piles à combustible MCFC peuvent atteindre des rendements élevés, typiquement entre 50 % et 60 %. Elles sont souvent utilisées dans des applications de cogénération où la chaleur résiduelle peut être récupérée et utilisée de manière efficace.

Transport propre :
Les piles à combustible peuvent être utilisées comme source d'alimentation pour les véhicules à pile à combustible (VPC), tels que les voitures, les camions, les bus et les trains. Les VPC utilisent de l'hydrogène comme combustible et produisent de l'électricité en combinant l'hydrogène avec de l'oxygène de l'air. Ils ne génèrent que de l'eau et de la chaleur comme sous-produits, offrant ainsi une alternative propre aux véhicules à moteur à combustion interne.

Énergie stationnaire :
Les piles à combustible peuvent être utilisées comme source d'alimentation stationnaire pour une variété d'applications, notamment les systèmes de secours et de secours, les installations de télécommunications, les tours cellulaires, les stations de base, les systèmes de gestion de l'énergie pour les bâtiments commerciaux et résidentiels, et les systèmes de production d'électricité distribuée.

Électronique portable :
Les piles à combustible peuvent alimenter des appareils électroniques portables tels que les ordinateurs portables, les smartphones, les tablettes et les appareils de mesure sur le terrain. Leur densité énergétique élevée et leur autonomie prolongée en font une solution attrayante pour les applications nécessitant une alimentation portable et à longue durée de vie.

Applications militaires :
Les piles à combustible peuvent être utilisées dans des applications militaires telles que les drones, les véhicules militaires, les équipements de surveillance et de communication sur le terrain, et les systèmes de défense, offrant une alimentation fiable et discrète dans des environnements exigeants.

Applications spatiales :
Dans l'industrie spatiale, les piles à combustible sont utilisées pour alimenter les satellites, les stations spatiales et les sondes spatiales. Leur haute efficacité, leur fiabilité et leur faible poids en font une source d'alimentation attrayante pour les missions spatiales à long terme.

Applications industrielles :
Les piles à combustible peuvent être utilisées dans diverses applications industrielles telles que la cogénération, la production d'électricité distribuée, le traitement des eaux usées, la production de chaleur et d'électricité pour les procédés industriels, et la production d'hydrogène à partir de sources renouvelables.