Le pile o celle a combustibile (dall'inglese fuel cell) sono state inventate nel 1839 da Sir William Robert Grove che fece reagire ossigeno e idrogeno ottenendo energia, tuttavia il nome fuel cell fu coniato solo attorno al 1889.

Si tratta dunque di un dispositivo noto da oltre un secolo e mezzo, tuttavia il suo sviluppo è stato condizionato da notevoli difficoltà tecniche ed economiche che ne hanno ostacolato il cammino verso la piena maturità industriale e la diffusione commerciale. Un loro rilancio si è avuto negli anni Sessanta per le applicazioni in campo spaziale, quando la necessità di produzione di energia per i satelliti (e quindi di supremazia tecnologica) prevalse sui costi di produzione. Vedi il film Apollo 13. In anni più recenti, l'aumento di sensibilità e interesse verso l'ambiente e i problemi connessi con l'inquinamento nonché la crescita di disponibilità di materiali e tecnologie adatti alla realizzazione delle celle a combustibile hanno permesso la produzione a livello industriale di alcuni tipi di celle. Ad esempio lo space shuttle, finché era in servizio, usava comunemente energia elettrica prodotta con celle a combustibile, soluzione che, nonostante i costi elevati, fu preferita alla produzione di elettricità attraverso fissione nucleare per motivi di sicurezza.

Il principio di funzionamento di una cella a combustibile è relativamente semplice, sebbene i problemi ingegneristici sono molteplici e ancora in fase di risoluzione. Come nelle celle elettrolitiche convenzionali, nelle celle a combustibile un elettrolita viene interposto tra un anodo e un catodo, in questo caso porosi: un gas ossidante (di solito ossigeno dell'aria) e un gas combustibile (per esempio idrogeno) vengono fatti fluire in continuo attraverso catodo e anodo rispettivamente. La differenza quindi fondamentale tra una celle a combustibile e le altre celle è che nel primo caso il riducente e l'ossidante sono continuamente rinnovati per cui, in via teorica, la produzione di energia elettrica è costante finché continua l'alimentazione dei gas e dunque la pila non si scarica mai. Nel caso di celle convenzionali la pila si scarica quando i reattivi si consumano. Segue uno schema di funzionamento semplificato di una celle a combustibile.

La reazione che avviene dipende dalla natura del combustibile e dell'elettrolita. nel caso di idrogeno:

anodo: H₂ ---> 2H⁺ + 2e^-

catodo: O₂ + 4 H⁺ 4e^- ---> 2H₂O

globalmente

2H₂ + O₂ ---> 2H₂O

in questo caso i prodotti di reazione sono acqua e calore.

Il combustibile può essere anche di natura diversa come alcol o metano.

Ci sono varie classificazioni delle celle a combustibile a seconda della natura dei loro componenti (anodo, catodo ed elettrolita): ad esempio un sistema classifica le celle a combustibile a seconda della temperatura di esercizio:

Celle a combustibile ad alta temperatura

Celle a combustibile a bassa e media temperatura

Per ciascuna di queste famiglie ci sono ulteriori suddivisioni a seconda della natura dell'elettrolita. Queste classificazioni portano a suddividere le celle a combustibile in cinque o più diverse classi.

Moltissimi siti internet sono dedicati alla descrizione delle celle a combustibile e alla loro classificazione con molti particolari, disegni e animazioni. La ricerca con www.google.it di “celle a combustibile” fornisce oltre 206000 citazioni, mentre “fuel cells” fornisce quasi 32 milioni di citazioni.

Si trovano informazioni esaurienti ad esempio su:

Pila a combustibile

Fuel cell

Celle a combustione – Tipologie

Le pile a combustibile

Hydrogen fuel cells

Fuel cell, le pile a combutibile

Questions and answers about hydrogen and fuel cells

Collecting the history of fuel cells che racconta la storia dettagliata dello sviluppo delle celle a combustibile

A Student's Guide to Alternative Fuel Vehicles. Fuel Cell Vehicles - the ZEVs of the future? Uno degli obiettivi industriali è infatti la produzione dell'auto elettrica a celle a combustibile che è in fase di studio da parte di numerose case automobilistiche e che esiste come prototipo ma che non sarà commercializzabile in tempi brevi: si parla di almeno 10 anni ancora di prove e sviluppo.

Istituto di tecnologie avanzate per l'energia "Nicola Giordano". Attività di ricerca dedicato ai veicoli del futuro a celle a combustibile.