Théorie simple, implantation complexe
La technologie PEM (pour Polymer Electrolyte Membrane) est utilisée par l'ensemble des constructeurs. Son principe fait appel à trois composants de base : les électrodes (anode et cathode), l'électrolyte qui sépare les électrodes (une membrane en matériau plastique) et les catalyseurs (du platine qui facilite la réaction chimique, placé sur chacune des faces de la membrane).
L'hydrogène (sous forme H2) passe dans les conduits de l'anode. En passant dans le catalyseur, la molécule se transforme en deux ions hydrogène (H+) et deux électrons (e-). Le design de la membrane n'autorise que le passage d'ions chargés positivement. Les ions H+ passent donc au travers de la membrane et vont se combiner à l'oxygène, en fait, de l'air circulant dans les conduits de la cathode, et deux électrons qui ont circulé dans le circuit électrique (puisqu'ils ne peuvent pas passer au travers de la membrane). La combinaison se fait grâce au catalyseur de la cathode, et le résultat final donne de l'eau et de la chaleur. La réaction crée une tension électrique de 0,7 volt. Pour obtenir suffisamment d'énergie pour alimenter un moteur électrique, les piles sont associées en série.
Dans la pratique, la conception d'une pile à combustible est extrêmement complexe car chaque paramètre de la réaction doit être parfaitement maîtrisé (température, pression et débit des différents gaz). Le design de la membrane est aussi un élément particulièrement critique.