La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion électrochimique et contrôlée de dihydrogène et de dioxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, selon la réaction chimique de fonctionnement de la pile :
        2 H₂ (g) + O₂ (g)  = 2 H₂O (l)

Pour mettre en oeuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes l’anode et la cathode séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Cette réaction est déclenchée en utilisant un catalyseur, en général du platine.

A la cathode, pôle positif de la pile, le comburant mis en jeu est toujours le dioxygène du couple
O₂ (g)/ H₂O (l), selon la demi-équation électronique : O₂ (g) + 4 H⁺ (aq) + 4 e^-   =  2 H₂O (l)

A l'anode,  pôle négatif de la pile, le combustible utilisé est le dihydrogène H₂ du couple
H⁺ (aq) / H₂ (g), selon la demi-équation électronique :  H₂ (g) = 2 H⁺ (aq) + 2 e^-

Le dihydrogène et le dioxygène utilisés peuvent être fabriqués par électrolyse de l'eau. On peut aussi utiliser le dioxygène de l'air.
Lors de l’électrolyse de l’eau les réactions qui se produisent aux électrodes sont inverses de celles de la pile.

Schéma de principe d'une pile à électrolyte polymère solide
(type PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Pour en savoir plus sur le principe de fonctionnement d'une pile de type PEMFC, consulter l'animation en ligne sur le site du Commissariat à l'Energie Atomique (rubrique "Espace-jeunes ; science animée"): http://www.cea.fr/fr/pedagogie/science.htm

Les piles qui utilisent du dihydrogène pur comme combustible ne rejettent que de la vapeur d'eau, et disposent d'un rendement élevé car elles assurent en une seule étape le passage de l'énergie chimique à l'énergie électrique.