miniatura|Pila d'hidrogen. La cèl·lulaés l'estructura cúbica del centre de la imatge. Una pila de combustible o cèl·lula de combustible és una pila que utilitza la reacció entre un combustible i un agent oxidant, els quals s'alimenten contínuament, per a produir energia elèctrica. Es parla de cèl·lula (anglès cell) quan només té un element.

Les piles de combustible funcionen amb la mateixa naturalesa electroquímica que les bateries convencionals, és a dir, les dues es basen en la generació d'energia elèctrica a partir d'energia química. La diferència entre les dues és que les piles de combustible no necessiten ser recarregades sinó que treballen de manera contínua, per tant tenim un flux i consum de reactius constant. Això és una de les principals diferències amb les bateries convencionals.

Els reactius típics utilitzats en una cèl·lula de combustible són hidrogen a l'ànode i oxigen al càtode. Per altra banda les bateries convencionals consumeixen reactius sòlids i, una vegada que s'han esgotat, ha d'ésser eliminada o recarregada amb electricitat. Generalment, els reactius «flueixen cap a dintre» i els productes de la reacció «flueixen cap a fora». L'operació a llarg termini virtualment contínua és factible mentre es mantinguin aquests fluxos.

Tecnologia miniatura|Esquema del funcionament d'una pila de combustible. Les piles de combustible són una suma de cèl·lules de combustible. Una cèl·lula de combustible contés dos elèctrodes, un ànode (-) i un càtode (+) que els dos acostumen a ser de platí i que es troben separats per un electròlit. L'electròlit acostuma a ser una membrana. A l'ànode s'oxida l'hidrogen que es dissocia en dos protons i dos electrons. Els protons circulen a través de la membrana polimèrica fins que el càtode i allà es combinen amb l'oxigen que s'ha reduït prèviament al càtode per formar aigua. Els electrons que no han pogut travessar la membrana s'escapen per un circuit elèctric. Aquest flux d'electrons és el corrent elèctric que podrem aprofitar com a energia elèctrica.

En aquest exemple, l'únic residu és aigua o vapor d'aigua. A més d'hidrogen pur, també es té l'hidrogen contingut en altres molècules de combustibles incloent el dièsel, metanol i els hidrurs químics, el residu produït per aquest tipus de combustibles, a més d'aigua, és diòxid de carboni, entre d'altres.

Voltatge La quantitat d'electricitat produïda per cada cèl·lula de combustible depèn de diversos factors com el tipus de cèl·lula, la mida, la temperatura ambient i la pressió de subministrament dels gasos. La potència final de la pila és determinada pel nombre de cèl·lules de la pila. Per crear més voltatge les cèl·lules s'agrupen i es combinen en sèrie o en paral·lel en un sistema que es diu Fuel Cell Stack en anglès: pila o bateria de cèl·lules de combustible. El nombre de cèl·lules sol ser superior a 45 i varia segons el disseny.

Materials Els materials usats en cèl·lules de combustible varien segons el tipus. (Vegeu cèl·lulade combustible#Tipus de cèl·lules de combustible). Les plaques de l'elèctrode bipolar es fan generalment de metall, de níquel habitualment i són cobertes per un catalitzador (que pot ser de platí o pal·ladi) per a obtenir més eficiència.

També es fan servir nanomaterials per la producció, purificació i emmagatzematge d'hidrogen. Un dels principals problemes del sector és la falta de tecnologies per l'emmagatzematge d'hidrogen que serveix per alimentar les piles de combustible per després alliberar-lo prou rabent, de manera que el consum energètic sigui reduït per poder alimentar correctament la pila. El 2015 es presumia que els nanomaterials eren prometedors per dur a terme aquesta funció, principalment, els nanotubs de carboni,els hidrurs de metalls lleugers i el grafè.

L'electròlit pot ser de ceràmica o bé una membrana.

Consideracions de disseny a les cèl·lules de combustible Costs. Per exemple, els costs del MEA (Membrane Electrode Assembly, en anglès: muntatge de l'elèctrode de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protons) varien segons el fabricant. Així, la membrana de Nafion®, aproximadament 400 €/m², utilitzada en la membrana PEM de Toyota i 3M és substituïda per la membrana de la ITM Power, amb un preu al voltant de 4 €/m² (2004). Aquesta membrana nova és un polímer d'hidrocarbur.

Gestió de l'aigua en les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, en català: cèl·lulade combustible amb membrana intercanviadora de protons). En aquest tipus de cèl·lules de combustible, la membrana s'ha d'hidratar, el que requereix evacuar l'aigua exactament en la mateixa mesura que aquesta és produïda.

Gestió de la temperatura. S'ha de mantenir la mateixa temperatura en tota la cèl·lula per a evitar que es destrueix per fatiga tèrmica.

Control de flux. Igual que a un motor de combustió, cal mantenir un quocient constant entre el reactiu i l'oxigen perquè la cèl·lulafuncioni eficientment.

Durabilitat, vida, i requisits especials per a certs tipus de cèl·lules. Les utilitzacions immòbils requereixen normalment més de 40.000 hores operatives fiables a una temperatura de -35 °C a 40 °C, mentre que les cèl·lules automotriues de combustible requereixen una esperança de vida de 5.000 hores sota temperatures extremes. Les utilitzacions automotrius, a més de poder arrencar amb fiabilitat a -30 °C, han de tenir un alt poder energètic per unitat de volum (típicament 2.5 KW per litre).

Tolerància limitada al monòxid de carboni (CO).

Tipus de cèl·lules de combustible Les piles de combustible es classifiquen en funció de l'electròlit present en el seu interior responsable de la temperatura de treball del sistema.

Piles de combustible de membrana polimérica (PEMFC) L'electròlit està format per una membrana polimèrica de bescanvi iònic (excel·lent conductor de protons). Normalment aquesta membrana esta feta de Nafion 117.

La temperatura de treball és de 60-120 °C degut a la degradació de la membrana a temperatures superiors. Així doncs, aquesta membrana ha menester d'una hidratació constant d'aigua. Degut a les baixes temperatures de treball, a més calen catalitzadors com ara platí. Aquestes piles s'alimenten d'H₂ (g) i O₂ o bé aire que ha estat tractat prèviament per tal d'eliminar impureses com el CO per a evitar fer malbé el catalitzador.

Desavantatges: És car degut a l'ús de platí com a catalitzador i aquest pot ser enverinat si hi ha monòxid de carboni (CO) al combustible.

Avantatges: Treballen a baixes temperatures.

Aplicacions: Transport, electrònica i generació elèctrica (1-250 kW).

Piles de combustible alcalina (AFC) L'electròlit és líquid i es forma per una solució aquosa d'hidròxid de potassi (KOH) concentrat (30-85% en pes). La concentració de KOH variarà en funció de la temperatura de treball del sistema que pot anar de 60-120 °C. Degut a les baixes temperatures de treball, és necessària la presència de catalitzadors com ara platí, pal·ladi i Ni.

Desavantatges: El catalitzador es pot enverinat si hi ha monòxid de carboni (CO) al combustible. El CO₂ (de l'aire) reaccionarà amb KOH formant K₂CO₃. S'ha d'utilitzar H₂ i O₂ d'alta puresa o aire purificat el que és car. La corrosivitat del KOH obliga a emprar acers inoxidables i materials polimèrics com a elements estructurals.

Avantatges: El fet d'emprar un electròlit líquid permet emprar-lo com a refrigerant i retirar-lo de la pila en períodes d'inactivitat per a augmentar el seu temps de vida útil.

Aplicacions: Transport, aplicacions militars i programes espacials (Apolo).

Pila de combustible d'àcid fosfòric (PAFC) L'electròlit és líquid i es forma per una solució d'àcid fosfòric (85-100%) en una matriu de carbur de silici. Els elèctrodes són formats d'una base de grafit amb un catalitzador de Pt. La temperatura de treball és de 160-200 °C i per a evitar la solidificació de l'electròlit, la pila ha de ser sempre escalfada, ja que l'àcid fosfòric solidifica a 42,5 °C.

Desavantatges: A baixes temperatures l'àcid fosfòric solidifica i això fa que sigui mal conductor. Podem tenir enverinament del catalitzador (Pt) per al presència de CO en l'ànode. Alt cost per l'ús de platí. Hi ha corrosivitat.

Avantatges: Estabilitat de l'àcid fosfòric afavoreix el treball en un ampli interval de temperatures. Ús d'àcid pur facilita el tractament de l'aigua generada. Tolera més impureses degut a l'alta temperatura de treball.

Aplicacions: Plantes de generació de potencies de 100-200 kW.

Piles de combustible de carbonat fos (MCFC) L'electròlit està format per una mescla de carbonats alcalins fosos (Li, K i Na) en una matriu de liti-alumini. Els elèctrodes estan fets d'un aliatge de Ni-Cr (ànode) i Ni-Li (càtode). La temperatura de treball és de 600-700 °C.

A diferència de les piles esmentades anteriorment, aquestes necessiten ser alimentades amb aire i diòxid de carboni en el càtode.

Desavantatges: Necessiten dos fluxos (CO i O₂). La formació d'aigua en l'ànode pot diluir el combustible. Les altes temperatures i el caràcter corrosiu de l'electròlit afecten en la seva durabilitat.

Avantatges: Tenen una elevada tolerància a les impureses degut a les altes temperatures de treball.

Aplicacions: Plantes de generació de kW fins a desenes de MW.

Piles de combustible d'òxids sòlids (SOFC) L'electròlit està fet d'un material ceràmic (òxid de zirconi-itri). Aquesta pila es diferencia de la resta perquè no empra catalitzador. Això és així, perquè es treballa a temperatures molt elevades: 800-1000 °C.

Desavantatges: Les altes temperatures afecten en la seva durabilitat. És car.

Avantatges: No es necessiten combustibles d'alta puresa degut a les altes temperatures de treball. No tenim elements en fase líquida i això redueix els problemes de corrosió. El CO no és un problema i participa activament en les reaccions electroquímiques.

Aplicacions: Generació d'electricitat: generació de KW fins a desenes de MW.

Piles de combustible d'ús directe de metanol (DMFC) És un tipus de pila derivada de les PEMFC, ja que ambdues utilitzen una membrana polimèrica d'intercanvi iònic com a electròlit. No obstant, en aquest cas utilitzen metanol enlloc d'H₂. La temperatura de treball és de 50-100 °C.

Desavantatges: Baixa difusió del metanol a través de la membrana en el pas de l'ànode al càtode, fet que fa disminuir el rendiment i augmentar el consum de combustible. Això fa que aquestes piles tinguin un curt temps de vida útil, una menor eficiència que la resta de piles i que sigui necessària una elevada quantitat de catalitzador.

Avantatges: L'emmagatzematge de metanol no requereix aparells voluminosos ni reformadors extens com en el cas de l'hidrogen, fet que provoca una reducció de costos respecte la pila PEMFC amb hidrogen. Tenim la possibilitat d'emprar directament metanol líquid a baixes temperatures (90 °C).

Aplicacions: Sector automobilístic (l'alimentació d'un combustible líquid evita una gran quantitat de problemes relacionats amb l'ús de combustibles gasosos).

+Tipus de cèl·lules de combustió en funció de l'electròlit present en el seu interiorTipusElectròlitIonsT (°C)CatalitzadorCombustibleOxidantEficiència elèctrica (%)PEMFCMembrana polimèricaH+60-120PtH₂,GasO₂,aire40-60AFCHidròxid de potassi (KOH)OH-60-120Pt/Pd, NiH₂,Gas purO₂60PAFCÀcid fosfòric (H₃PO₄)H+160-200PtH₂,GasO₂,aire40-50MCFCCarbonat de liti o potassiCO₃-2600-700NiH₂,GasO₂,aire45-55SOFCÒxids de zirconiO-2800-1000-H₂,GasO₂,aire45-60DMFCMembrana polimèricaH+50-100Pt, Pt-RuMetanol líq.O₂,aire20-40

Eficiència