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Une pile à combustible est une pile électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'un combustible (souvent de l'hydrogène) et d'un agent oxydant (souvent de l'oxygène) en électricité grâce à une paire de réactions redox. Les piles à combustible sont différentes de la plupart des batteries en ce qu'elles nécessitent une source continue de carburant et d'oxygène (généralement de l'air) pour entretenir la réaction chimique, alors que dans une batterie, l'énergie chimique provient généralement de métaux et de leurs ions ou oxydes qui sont généralement déjà présents dans le batterie, sauf dans les batteries à flux. Les piles à combustible peuvent produire de l'électricité en continu aussi longtemps que le combustible et l'oxygène sont fournis.

Il existe de nombreux types de piles à combustible, mais elles se composent toutes d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte qui permet aux ions, souvent des ions hydrogène chargés positivement (protons), de se déplacer entre les deux côtés de la pile à combustible. À l'anode, un catalyseur fait subir au carburant des réactions d'oxydation qui génèrent des ions (souvent des ions hydrogène chargés positivement) et des électrons. Les ions se déplacent de l'anode à la cathode à travers l'électrolyte. Dans le même temps, les électrons circulent de l'anode à la cathode à travers un circuit externe, produisant de l'électricité à courant continu. À la cathode, un autre catalyseur fait réagir les ions, les électrons et l'oxygène, formant de l'eau et éventuellement d'autres produits. Les piles à combustible sont classées par type d'électrolyte qu'elles utilisent et par la différence de temps de démarrage allant de 1 seconde pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (piles à combustible PEM ou PEMFC) à 10 minutes pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC).
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