La pila a combustibile è un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore.
Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l’elettrolito). Data la porosità degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione dei gas ossidanti. Come combustibile possono essere usati oltre all'idrogeno anche il metano e il metanolo; da questi naturalmente l'idrogeno deve essere estratto con un particolare procedimento. Le pile a combustione possono essere pensate come uno strumento che fa l'inverso dell'esperimento dove passando una corrente elettrica attraverso l'acqua si divide in idrogeno e ossigeno. Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle pile a combustibile, è rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti), che vanno continuamente rimossi dalla cella, non contengono sostanze inquinanti. La cella ha struttura piatta a tre strati, di cui quello centrale, compreso fra il catodo e l'anodo, costituisce o contiene l'elettrolito. Alcuni tipi di celle funzionano in orizzontale altre in verticale. Sono simili alle batterie e quindi, come gli altri elementi voltaici, una pila a combustibile è formata essenzialmente da due elettrodi, catodo ed anodo, e da un elettrolito che permette la migrazione degli ioni. Diversamente che dalle batterie comuni, nella pila a combustibile, la materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua può essere erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione di combustibile e di gas ossidanti. In pratica, le superfici affacciate devono avere un'area sufficiente per ottenere intensità di corrente adeguate alle esigenze applicative. Si può così arrivare, in funzione dell'applicazione e della filiera di celle, a superfici dell'ordine del metro quadrato. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da mezzo volt a un volt, secondo la tecnologia adottata e il carico elettrico ad essa collegato) vengono sovrapposte una all'altra, collegandole in serie in modo da ricavare una tensione complessiva del valore desiderato. L'impilamento di celle che così si ottiene, forma il cosiddetto stack (o pila), che rappresenta la base della sezione elettrochimica. Generalmente un impianto a celle a combustibile è composto, oltre che dal modulo di potenza (contenente la sezione elettrochimica) anche da un convertitore di corrente (inverter) e di un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata alla tensione e alla frequenza desiderate. Queste celle a combustibile funzionano a temperature relativamente basse (60-120 °C), hanno un'alta densità di energia e il loro rendimento può variare velocemente a seconda delle esigenze. Sono adatte per applicazioni che necessitano di un avvio veloce.
Sono le più indicate per i veicoli a basso rendimento, per gli edifici e, potenzialmente, per piccoli strumenti, essendo utilizzabili come batterie sostituibili o ricaricabili. La membrana di scambio dei protoni, ricoperta da entrambi i lati da una lega di particelle metalliche (in origine platino ma ora anche altri materiali meno costosi) sparpagliate che fungono da catalizzatori, è un sottile foglio di plastica che permette il passaggio dell'idrogeno. Gli atomi di idrogeno vengono attirati verso l'anodo della pila a combustibile dove, grazie al catalizzatore, sprigionano elettroni diventando ioni di idrogeno (protoni).
Gli elettroni così prodotti, creano corrente elettrica che può essere utilizzata prima che venga raggiunto il catodo, dove si trova l'ossigeno. Nello stesso tempo i protoni, attraverso la membrana, arrivano al catodo dove idrogeno e ossigeno hanno prodotto acqua, completando l'intero processo. L'unico carburante consentito è l'idrogeno, gli idrocarburi possono essere utilizzati ma il loro reform deve essere fatto perfettamente. Una piccola quantità di monossido di carbonio nella cella è un veleno permanente per il catalizzatore.
Generalmente lavorano ad una temperatura di esercizio di 90°C e questo permette di usare anche materiali poco costosi. Sfortunatamente queste basse temperature sono vicine alla temperatura ambiente e questo è un problema perchè non si riesce a disperdere il calore in eccesso. Se si usa un reformer sono richiesti alcuni minuti ulteriori per il riscaldamento. La riserva di idrogeno deve essere usata nella fase di startup. È richiesto l'uso di un impianto di raffreddamento, questo per la presenza di acqua pura nella cella. La gestione di questa acqua è un problema per le prestazioni della cella; la cella infatti, deve operare in condizioni tali che l'acqua prodotta non evapori troppo velocemente altrimenti la membrana polimerica non è sufficientemente idratata. La soluzione elettrolita è usualmente una soluzione acquosa di KOH ossia idrossido di potassio. Hanno elettrodi porosi, nelle condizioni più comuni a base di Nichel, meglio se della famiglia del Platino: questo permette ad esse di operare a temperature di esercizio tra i 60 e 100°C. La chiave per l'innesco della reazione nelle celle è un eccesso di OH-ioni. Il gas d'Idrogeno reagisce con gli OH-ioni, producendo acqua e rilasciando elettroni: gli elettroni percorrono il circuito elettrico connesso alla cella, e giungono al catodo. Qui gli ioni reagiscono con l'ossigeno e l'acqua producendo ancora OH-ioni per rifornire quelli usati nell'anodo Gli OH-ioni si muovono attraverso la soluzione elettrolita e gli elettroni attraverso il circuito.
L'acqua è prodotta nell'anodo due volte più velocemente quanto più è usata nel catodo. Il catodo è il terminale positivo, gli elettroni scorrono verso di lui.
Il carburante è l'idrogeno, in alcuni casi viene usata anche Idrazina.
Non possono operare con Biossido di Carbonio o altri carburanti o ossidanti; perfino la piccola quantità di Biossido di carbonio nell'aria è inutilizzabile. Per quanto riguarda le potenzialità specifiche delle singole filiere, la tecnologia delle celle alcaline AFC si può considerare ormai matura, ma le caratteristiche di queste pile le rendono adatte solo quando siano disponibili idrogeno e ossigeno puri.

Efficienza: Operano a varie temperature, ad esempio sui veicoli spaziali operavano a 250°C. L'efficienza è elevata e può arrivare oltre il 70% in esercizio a piena potenza. Il vantaggio è che riescono ad avere uno start-up veloce a freddo. A dispetto dell'efficienza il costo dei materiali di costruzione ne impediscono una distribuzione di massa. Esse sono state sperimentate soprattutto in:

• applicazioni spaziali (Apollo, Shuttle) e militari (sommergibile con celle a combustibile da 100 kW della Siemens)
• applicazione di trasporto terrestre (autobus ELENCO, alimentato a idrogeno), ma la mancanza di flessibilità nei riguardi del combustibile da impiegare rallenta il loro sviluppo.

Usano come elettrolita una soluzione di acido fosforico imbevuto in una matrice di carburo di silicio posta fra due elettrodi di grafite opportunamente trattata (temperatura media di esercizio: 180-200 °C). Vi sono gravi problemi di corrosione che restringono la scelta del materiale degli elettrodi e del catalizzatore. Gli elettrodi possono essere fatti di oro, titanio e carbone e il catalizzatore può essere solo di materiali della famiglia del platino. L'acido usato non deve essere volatile, così che sia solo l'acqua l'unico elemento ad evaporare.
Avendo un'alta tolleranza di CO2 si possono usare gli idrocarburi, alcoli oppure anche idrogeno impuro.
Efficienza:

Lavorano ad una temperatura tra i 150 e 220°C. A queste temperature sono molto ideali per piccoli e medi impianti. Un impianto di 200kW AC ha un'efficienza del 40%. Possono essere usate anche per produrre acqua calda e per il riscaldamento domestico.
Le celle ad acido fosforico rappresentano:

• l'unica filiera di pile a combustibile a livello commerciale, con impianti package di taglia 100-200 kW. Impianti di taglia maggiore (vari megawatt) sono stati installati già da tempo negli Stati Uniti e in Giappone. Il loro uso in tali paesi prevede applicazioni in ospedali, case di cura, uffici, scuole e terminali di aeroporto.
• in Europa, l'impianto maggiore è quello da 1,3 MW, realizzato con celle IFC da Ansaldo Ricerche, AEM ed ENEA e sperimentato con successo da AEM presso il polo tecnologico della Bicocca a Milano. La temperatura di funzionamento delle celle PAFC è sufficientemente alta per consentire l'utilizzazione del calore prodotto sia per il preriscaldamento del processo di reforming del combustibile (gas naturale) sia per utenze esterne di cogenerazione.
• produttori e installatori: ONSI (per l’Europa), CLC (Ansaldo Finmeccanica), Fuji Electric, Mitsubishi

Sono considerate le più ricercate tra le celle che usano carburanti basati su idrocarburi. Infatti risultano semplici, altamente efficienti, tolleranti alle impurità e possono fare il reforming internamente alla cella. L'elettrolito è formato da ossido di zirconio stabilizzato con ossido di ittrio; il catodo è costituito da manganito di lantanio opportunamente trattato, l'anodo da un cermet a base di nichel-ossido di zirconio (temperatura media di esercizio: 800-1000 °C). Fuel: metano, possono essere usati come carburante sia l'idrogeno che il monossido di carbonio. Quindi possono generarli da gas naturali, diesel, gasolio, metanolo, etanolo ecc. Non c'è bisogno di reforming esterno il tutto è perfettamente funzionante all'interno della cella.
Praticamente le fuel cell sono pressurizzate e le turbine a gas provocano elettricità dal calore prodotto dalle celle. Queste danno un'efficienza tra il 60-70%.
Per le pile a ossidi solidi SOFC sono state sviluppate due diverse configurazioni:

• una tubolare maggiormente sviluppata e sperimentata (ma penalizzata da costi proibitivi) e una planare meno sviluppata, ma con maggiori speranze di riduzione dei costi.
• sviluppatori della configurazione tubolare: Westinghouse, oggi rilevata da Siemens
• sviluppatori della configurazione planare: industrie nordamericane, europee (Sultzer, Enitecnologie che ha abbandonato), giapponesi, coreane e australiane.

Usano come elettrolita una miscela di carbonati (tipicamente di litio e di potassio), i due elettrodi sono entrambi a base di nichel: il catodo impiega ossido di nichel litiato, l'anodo usa nichel con piccole percentuali di cromo (temperatura media di esercizio: 600-700 °C). Nessuno dei due elettrodi necessita di essere costruito con metalli nobili. La reazione all'interno di ogni elettrodo: