Pin nhiên liệu kiềm có hiệu suất khoảng 70% và hoạt động ở nhiệt độ từ 65 đến 220oC. Công suất đầu ra khoảng từ 300 W đến 5 kW. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 1,1 đến 1,2 V. Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu này thƣờng đƣợc dùng trong các phƣơng tiện giao thông. Năm 1969, pin nhiên liệu kiềm đã đƣợc NASA sử dụng trong các chƣơng trình khơng gian đƣa tàu con thoi và các du thuyền Apollo lên mặt trăng.
Tuy nhiên, sau những năm 1960 - 1980 thì AFC đã dần mất đi ƣu thế của nó bởi các cơng nghệ pin nhiên liệu mới khác nhƣ pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) do tính linh hoạt của việc sử dụng một chất điện li dạng rắn và tránh rò rỉ chất điện li của loại pin này. Tuy nhiên, so sánh giữa AFC với PEMFC về mặt lý thuyết thì AFC hoạt động tốt hơn PEMFC và AFC tạo ra mật độ dòng cao hơn nhiều so với pin PEM ngày nay. Ngồi ra, chi phí cho xây dựng một hệ thống pin AFC cho các ứng dụng công suất thấp nhỏ hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng hệ thống tƣơng đƣơng của PEMFC [74].
Hình 1.3. Tàu con thoi của NASA (Hoa Kỳ) sử dụng pin nhiên liệu kiềm để cung
cấp năng lƣợng và nƣớc uống trong không gian http://www.moea.state.mn.us/p2/fuelcellstypes.cfm
Các pin nhiên liệu kiềm có nhiều ƣu điểm hơn so với pin nhiên liệu acid truyền thống trên cả hai mặt động học anode và cathode, đặc biệt là trong trƣờng hợp quá thế anode thấp. Tại một số khoảng thế, q trình oxy hóa alcohol trong mơi trƣờng kiềm cho mật độ dòng cao hơn trong môi trƣờng acid. Pin nhiên liệu cho phép sử dụng chất xúc tác không chứa platin trong các điện cực. Việc phát triển một hệ thống xúc tác anode và cathode là khả thi hơn trong mơi kiềm do có nhiều sự lựa chọn về mặt nguyên liệu so với môi trƣờng acid [123]. Sự thay thế Pt tinh khiết bằng những vật liệu biến tính, tổ hợp có thể cho hiệu quả oxy hóa nhiên liệu cao hơn so với Pt tinh khiết, ngoài ra việc sử dụng điện cực biến tính cũng nhƣ điện cực tổ hợp có thể làm giảm sự nhiễm độc của điện cực bởi các sản phẩm của q trình oxy hóa. Bên cạnh đó, việc thay thế Pt bằng các điện cực biến tính cịn giúp giảm chi phí của pin AFC rất nhiều lần. Ngoài ra, tốc độ của phản ứng khử oxy trong môi trƣờng kiềm là dễ dàng hơn trong một số môi trƣờng acid nhƣ H2SO4 sử dụng chất xúc tác Pt và HClO4 sử dụng chất xúc tác Ag. Do sử dụng môi trƣờng điện li là kiềm nên pin ít bị ăn mòn, tuổi thọ đƣợc kéo dài hơn. Pin nhiên liệu khởi động nhanh, và có thể hoạt động ngay ở những nhiệt độ khá thấp -40oC. Việc quản lý lƣợng nhiệt và nƣớc sinh ra đơn giản hơn so với những hệ pin nhiên liệu khác và
đặc biệt là trong quá trình hoạt động không gây tiếng ồn và khá thân thiện với mơi trƣờng.
Bên cạnh những ƣu điểm có đƣợc thì pin nhiên liệu kiềm lại có nhƣợc điểm là đòi hỏi nhiên liệu sử dụng phải tinh khiết và chất xúc tác điện cực thƣờng bằng platin, cho nên giá thành sản xuất pin vẫn còn khá cao để thƣơng mại cho những sản phẩm thông thƣờng. Tuy nhiên, động học của các phản ứng khử oxy trong các pin nhiên liệu kiềm cho thấy sử dụng môi trƣờng kiềm mang lại nhiều hiệu quả hơn: giảm hàm lƣợng chất xúc tác cũng nhƣ cho phép sử dụng một số chất xúc tác không chứa kim loại quý chi phí thấp nhƣ bạc, nickel, coban. Hơn nữa, khả năng gây ngộ độc khi sử dụng vật liệu điện cực Pt/C trong môi trƣờng kiềm thấp hơn mơi trƣờng acid. Vì vậy, một số cơng ty đã tìm cách giảm giá thành của loại pin nhiên liệu này bằng cách thay thế chất xúc tác platin bằng các kim loại khác rẻ hơn.
Pin nhiên liệu kiềm cịn có một nhƣợc điểm nữa là vấn đề giảm độ dẫn điện riêng của chất điện li do phản ứng giữa sản phẩm của q trình oxy hóa nhiên liệu (thƣờng là CO2) với mơi trƣờng kiềm, có thể tạo ra kết tủa carbonate làm giảm độ bền và sự cồng kềnh của pin là những rào cản lớn nhất cho sự phát triển và thƣơng mại hóa của pin nhiên liệu kiềm. Trong những năm gần đây, việc phát triển pin nhiên liệu kiềm đi theo hƣớng chế tạo hệ pin sử dụng màng trao đổi anion hydroxyl. Pin nhiên liệu kiềm sử dụng màng trao đổi anion có ƣu điểm hơn so với những hệ pin nhiên liệu kiềm sử dụng dung dịch lỏng vì khơng có cation di động, khơng tạo thành kết tủa carbonate và gọn nhẹ hơn. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu chế tạo màng điện li trao đổi anion hydroxyl cho pin nhiên liệu kiềm đã đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và phát triển. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo mới hoặc biến tính những màng trao đổi anion đã tồn tại nhằm mục đích nâng cao tính chất của hệ là một vấn đề cấp thiết cần đƣợc giải quyết với mục tiêu tăng khả năng ứng dụng vào thực tế của pin nhiên liệu kiềm.
Những năm gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra hƣớng khắc phục các nhƣợc điểm của pin nhiên liệu kiềm nên pin nhiên liệu kiềm đã dần đƣợc quan tâm trở lại.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Tại cathode: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH- (1.16) Tại anode: Nhiên liệu + n OH- - n e- → Sản phẩm (1.17) Tổng quát: Nhiên liệu + O2 → Sản phẩm (1.18) Ở anode, hydro bị oxy hóa, các electron sinh ra sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài đi về cathode của pin nhiên liệu. Còn ở cathode, oxy bị khử, sinh ra các ion hydroxyl (OH-). Các ion OH- sẽ di chuyển từ cathode sang anode kết hợp với hydro để tạo thành nƣớc. Nhƣ vậy, đối với pin nhiên liệu loại này, sản phẩm nƣớc đƣợc sinh ra tại anode của pin nhiên liệu.
Một vấn đề có ảnh hƣởng khơng tốt đến AFC là q trình carbonate hóa của dung dịch chất điện li kiềm do CO2 từ khơng khí hoặc các sản phẩm oxy hóa của nhiên liệu, làm giảm khả năng dẫn điện của chất điện li. Tác dụng khơng có lợi của CO2 bắt nguồn từ phản ứng của nó với OH-:
2 OH- + CO2 → CO32- + H2O (1.19) Khi phản ứng trên xảy ra, nồng độ OH- sẽ giảm, đồng thời tạo ra muối carbonate kết tủa tại các điện cực. Từ đó, làm giảm khả năng hịa trộn khí và khả năng trao đổi chất xảy ra trong pin nhiên liệu và nhƣ vậy, sẽ làm giảm hiệu suất của pin. Tuy nhiên, vấn đề này đã đƣợc giải quyết khi sử dụng màng trao đổi ion OH- (AAEMs) [19, 29, 32, 83]. Nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành với pin AFC liên quan đến sự phát triển của màng trao đổi ion hydroxyl. Các pin nhiên liệu sử dụng màng AAEMs đƣợc gọi là pin nhiên liệu kiềm màng trao đổi anion (AAEMFCs), pin AAEMFCs không dùng chất điện li là dung dịch KOH mà sử dụng màng polyme rắn để làm chất điện li. Pin AAEMFCs có một số lợi thế quan trọng hơn AFC thơng thƣờng vì khơng có cation di động, khơng có kết tủa carbonate, giảm mất mát nhiên liệu, có thể quản lý nƣớc đơn giản do thực tế là nƣớc đƣợc tạo ra tại anode và tiêu thụ tại cathode và giảm ăn mòn [32, 64, 83], điều kiện nhiệt độ hoạt động thấp (khoảng 23 – 70oC) và đạt hiệu quả tƣơng đối cao ( 70%) so với nhiều loại pin nhiên liệu khác.
Việc phát triển các nguồn năng lƣợng thay thế là một vấn đề quan trọng hiện nay. Pin alcohol trực tiếp (DAFCs) đã thu hút đƣợc sự quan tâm đáng kể trong ứng dụng làm nguồn năng lƣợng thay thế sử dụng cho ô-tô và thiết bị điện tử tiêu dùng di động. Các nhiên liệu lỏng nhƣ alcohol, khối lƣợng phân tử thấp có nhiều lợi thế so với hydro tinh khiết bởi vì alcohol có thể dễ dàng xử lý, lƣu trữ và vận chuyển [34]. Hơn nữa, những nhiên liệu này có mật độ năng lƣợng tƣơng đối cao, tƣơng đƣơng với xăng. Methanol là một loại nhiên liệu đầy hứa hẹn của DAFC, nhƣng những phân tử alcohol có trọng lƣợng thấp khác nhƣ ethanol, ethylen glycol và glycerol cũng đƣợc nghiên cứu.