L’Idrogeno combinato con Ossigeno dà luogo a reazioni chimiche che producono energia termica (reazione di combustione diretta, es: nei motori endotermici) oppure elettrica (reazione elettrochimica, es: fuel cell).
In ognuno di questi due processi gli scarti della reazione sono esclusivamente: vapore acqueo e calore.
La cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che combina un carburante (l’idrogeno) e un ossidante (l’ossigeno) per generare energia elettrica, avendo come sottoprodotti di processo: acqua demineralizzata (vapore acqueo) e calore (60-80°C).
Il primo a sperimentare una struttura primordiale di cella a combustibile fu William Robert Grove (1811-1896), professore di fisica, il quale con la sua “batteria a gas voltaico” dimostrò che era possibile estrarre energia elettrica da due elettrodi (anodo e catodo) separati da un elettrolita in cui viene fatto circolare idrogeno e ossigeno.

Cella tipo “PEM” (SPFC - PEFC)
La cella PEM (Proton Exchange Membrane) viene detta anche SPFC (Solid Polymer Fuel Cell) oppure PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) ed è composta da una membrana a scambio di protonico e da due elettrodi in carbone su cui è depositato il catalizzatore (Platino o sue leghe).
E’ una tipologia diffusa nei piccoli sistemi e tra le più semplici da impiegare, tuttavia questo tipo di cella a combustibile è molto delicata e l’idrogeno deve essere purissimo al 99%, una quantità onossido di carbonio superiore all’1% danneggerebbe in maniera permanente il catalizzatore.
Questo tipo di celle opera ad una temperatura compresa tra 60 e 100°C, anche questa caratteristica ne facilita l’uso rispetto alle altre tecnologie disponibili.
Sperimentate per la prima volta durante i primi programmi spaziali negli anni 60, le “PEM” sono oggi preferite nell’uso per applicazioni di trazione elettrica (auto e autobus), grazie alla loro elevata densità di potenza, dell’assenza di problemi di corrosione, della rapidità di partenza a freddo (meno di 1 minuto).
Un’altra applicazione delle PEM a cui si guarda in questi tempi è l’impiego nei sistemi stazionari per la produzione di energia.

Principali roduttori: Ballard , IFC (International Fuel Cells), Sanyo, Toshiba, Fuji Electric, Mitsubishi, Siemens, De Nora SpA.

Cella tipo “PAFC”
La cella “PAFC” ( Phosphoric Acid Fuel Cell) utilizza un elettrolito liquido a base di acido solforico imbevuto in una matrice amorfa di carburo di silicio. Gli elettrodi possono essere in oro, titanio e carbone, e per il catalizzatore si usa il platino.
Le principali caratteristiche della cella PAFC sono:
- temperatura di esercizio compresa tra i 150 e 220°C;
- efficienza del 40%;
- possibilità di cogenerazione (per usi non industriali);
- tecnologia matura per lo sviluppo di piccoli e medi sistemi per la generazione elettrica e la cogenerazione;
- alta tolleranza alla CO2 per cui è possibile alimentare la cella con idrogeno non puro e con gas di reforming non purificati.
LA tecnologia PAFC soffre degli stessi problemi di alcune altre tecnologie di cella ad elettrolita liquido: corrosione ed evaporazione dell’elettrolito; ciò nonostante grazie allo studio sui materiali le PAFC sono molto promettenti per l’uso nei sistemi di media taglia alimentati da gas naturale. Infatti per quei sistemi in cui oltre ad una alta efficienza elettrica sia importante anche un basso impatto ambientale (edifici commerciali, grandi alberghi, ospedali e impianti per telecomunicazione) la cella PAFC è attualmente la soluzione ottimale.
Tra i principali costruttori: UTC, FujiElectric, Hitachi, Mitsubishi Electric e Toshiba.
Importante citare l’impianto PAFC da 1,3MW installato a Milano (Bicocca).

Cella tipo “AFC”
Nella tipologia di cella a combustibile denominata “AFC” (Alkaline Fuel Cell) l’elettrolita è una soluzione acquosa di Idrossido di Potassio. Gli elettrodi sono costruiti in NICHEL, Argento , Metalli nobili.
Le AFC operano ad una bassa temperatura , normalmente tra 70 e 120°C, e nei confronti delle altre tecnologie di costruzione presentano una serie di vantaggi tra i quali:
- rendimento del 65%;
- tempi di vita lunghi: 10.000 – 15.000 pre dimostrate;
- costi non elevati dei componenti;
- start up veloce a freddo.
Anche nelle AFC come nelle PEM la principale limitazione è l’intolleranza alle impurezze presenti nell’idrogeno che deve essere puro al 99,9% , per cui si dimostrano poco utilizzabili con gas prodotto da processi di reforming e della stessa aria che contiene normalmente CO2 in quantità superiori a 300ppm.
E’ una tecnologia molto diffusa nei sistemi stazionari (ZeTek Power) e pur avendo raggiunto un buon grado di maturità tecnologica , le attività in questo campo sono molto limitate.
Produttori principali: ZeTek Power, Elenco, Siemens.

Cella tipo “MCFC”
Le celle a Carbonati Fusi o “MCFC” (Molten Carbonate Fuel Cell) utilizzano come elettrolita una soluzione di carbonati alkalini: normalmente carbonato di litio e carbonato di potassio, contenuti da una matrice ceramica porosa.
Gli elettrodi sono a base di Nichel : il catodo è in ossido di nichel litiato e l’anodo è costituito da nichel con piccole percentuali di cromo.
Le celle MFC presentano le seguenti caratteristiche:
- nessun bisogno di metalli preziosi come catalizzatori, grazie a cinetiche di reazioni più veloci;
- flessibilità maggiore nell’uso di più combustibili, grazie alla possibilità di alimentare la cella direttamente con gas naturale o distillati leggeri (tutti i prodotti del petrolio) senza reforming esterni;
- possibilità di cogenerazione grazie alla temperatura di funzionamento di interesse industriale;
- efficienza raggiungibile: > del 45%, oppure 60-70% in cicli combinati con turbina.
Le alte temperature di esercizio e l’alta corrosività dell’elettrolito creano tuttavia problemi di stabilità strutturale ai componenti della cella.
Per questi motivi, nonostante i progressi compiuti negli ultimi anni, la tecnologia MCFC incontra ancora qualche difficoltà ad affermarsi. Tuttavia l’impiego più promettente per le celle MCFC, nel medio termine, sono i sistemi di generazione di energia elettrica e cogenerazione con taglie da 250kW a 20 – 30MW.

Cella tipo “SOFC”
La tecnologia ad Ossidi Solidi o “SOFC” (Solid Oxide Fuel Cell) è la più ricercata nel panorama di utilizzo della tecnologia Fuel Cell. L’elettrolita è in materiale ceramico (ossido di zirconio stabilizzato con ossido di ittrio) , il catodo è in manganitto di lantanio drogato con stronzio e l’anodo è un cermet di ossido di nichel e ossido di zirconio.

Le caratteristiche più importanti delle celle SOFC sono:

Il tempo di start up è abbastanza lungo, qualche minuto, per cui le celle SOFC sono interessanti per applicazioni dove il funzionamento è continuo.
Anche in questa tecnologia vi sono delle problematiche non ancora risolte riguardanti il degrado dei materiali ed il loro assemblaggio. Nonostante tutto però tra le varie tecnologie di cella, è l’unica che può essere altamente competitiva nel mercato sia per piccole realizzazioni per uso stazionario residenziale (2kW) sia per grosse realizzazioni per la produzione di energia elettrica da distribuire ( 15 – 20 MW). Anche questo tipo di celle viene indicato per utilizzo nella trazione.
Sviluppatori della cella SOFC sono: Siemens Westinghouse, Sultzer, Global Thermoelectic, Ztek, TMI, SOFCO, Mitsubishi Heavy Ind., l’Australiana CFCL, e la Canadese FCT.

Cella tipo “DMFC”
La cella a metanolo o “DMFC” (Direct Methanol Fuel Cell) presenta caratteristiche simili alle PEM dal momento che entrambe le tecnologie utilizzano membrane polimeriche a scambio protonico come elettrolita, ed elettrodi porosi con catalizzatore a base di platino o proprie leghe.
Le DMFC operano a temperature comprese tra i 70 e 100°C e con una efficienza elettrica intorno al 35%.
Ma la caratteristica principale più importante della tecnologia DMFC è che la cella può essere alimentata direttamente con METANOLO puro, senza processi di reforming.
Proprio per questo la tecnologia DMCF è molto indicata per la costruzione di sistemi portatili, alimentazione di cellulari, computer portatili, e per la trazione (auto elettrica).
La densità di potenza è ancora bassa, intorno ai 180-250 mW/cm² ma la ricerca in questo campo sta sostenendo sforzi diretti a portare ad oltre il 45% l’efficienza del sistema e all’aumento delle prestazioni della cella.
Anche in questo caso si stanno ricercando materiali che portino ad un miglioramento delle cinetiche di funzionamento e all’ottimizzazione degli elettrodi.
Inoltre a causa della tossicità del Metanolo alcune aziende del settore stanno sperimentanto la tecnologia DEFC (Direct Ethanol Fuel Cell) che usa l’etanolo, meno pericoloso.
Attualmente però le prestazioni delle DEFC sono circa la metà delle DMCF, ma questo gap si pensa possa essere ridotto notevolmente nei prossimi anni grazie all’interessamento delle aziende nel mercato della “trazione elettrica”.
Sviluppatori e costruttori della cella DMCF sono: IRD, Ballard Power Systems, JPL, LANL,, Motorola, NEC, Sony, SFC, CNR-ITAE, SRTI-Thompson, PSA, Nuvera FCE, Solvay.