سلول سوختی آلکالاین یا AFC که با نامِ سلول سوختی بیکن نیز شناخته می شود، یکی از پیشرفته ترین فن آوری های سلول سوختی است که مخترعِ انگلیسی بریتانیایی آن، فرانسیس توماس بیکن است. ناسا از اواسط دهه ۱۹۶۰، در مأموریت آپولو و شاتل فضایی، از سلولهای سوختی قلیایی استفاده کرده است. (سلول های سوختی قلیایی با مصرف هیدروژن و اکسیژن، تولید آب آشامیدنی، گرما و برق می کنند. آن ها یکی از مهمترین سلول های سوختی هستند که توانایی رسیدن به بازدهیِ ۷۰تا٪ را هم دارند.)
سلول سوختی نیروی موردِ نیاز خود را از طریق واکنش ردوکس بین هیدروژن و اکسیژن تولید می کند. در آند، هیدروژن مطابقِ واکنشِ زیر، اکسید می شود:
با این واکنش، تولید آب و انتشار الکترون ها اتفاق می افتد. الکترون ها از طریق یک مدار خارجی جریان می یابند و به کاتد باز می گردند و اکسیژن را نیز طبق واکنش زیر کاهش می دهند:
با این واکنش نیز یون های هیدروکسید تولید می شوند. این واکنش یک مولکول اکسیژن و دو مولکول هیدروژن را در تولید دو مولکول آب مصرف می کند. برق و گرما نیز به عنوان محصولات جانبی این واکنش تشکیل می شوند.
دو الکترود با اشباع محلولی قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم، از هم جدا می شوند. سلولهای سوختی آلکالاین به طور کلی با اکسیژن خالص یا حداقل، هوای خالص کار می کنند، در طراحیِ این سلول ها، یک اسکرابر به منظور تمیز کردن دی اکسید کربنِ هرچه بیشتر، قرار داده می شود. از آنجائیکه الزامات مرتبط با تولید و ذخیره سازی اکسیژن، اکسیژن خالص را گران می کند، شرکت های کمی در این زمینه فعال هستند. در جامعه تحقیقاتی، این بحث وجود دارد که آیا مسمومیتِ ناشی از این فرآیندها، دائمی است یا برگشت پذیر. مکانیسم های اصلی این مسمومیت، به این صورت است که یا منافذ کاتد با K2CO3 مسدود می شوند که این اتفاق، غیرِقابلِ جبران است و یا اینکه به خاطرِ کاهش هدایت یونی الکترولیت بوده که در این صورت، برگشت پذیر می باشد. یک روش برای جلوگیری از این مسمومیت ها، جایگزینی KOH است.
هنگامی که دی اکسید کربن با لکترولیت واکنش نشان می دهد، کربنات تشکیل می شود. کربنات ها می توانند برروی منافذ الکترودها قرار گیرند که در نهایت آنها را مسدود می کند. این مسمومیت کربناته در دمای محیط منجر به کاهش حلالیت K2CO3 می شود که منجر به بارش K2CO3 شده که منافذ الکترود را مسدود می کند. همچنین گفتنی است که این رسوبات به تدریج هیدروفوبیت لایه پشتی الکترود را دچارِ تخریب ساختاری می کنند.
از آنجا که این سلول ها ممکن است باعثِ مسمومیت شوند، دو نوع اصلی از AFC وجود دارد: الکترولیت ساکن و الکترولیت در حالِ جریان. سلول های الکترولیتی ساکن، همان نوعی از سلول ها هستند که در فضاپیمای آپولو و شاتل فضایی استفاده شده بودند. تولید آب با فرآیندِ تبخیر از طریقِ آند انجام می شود. این نوع از سلولهای سوختی معمولا از کاتالیزورهای پلاتینی برای رسیدن به حداکثر کارایی استفاده می کنند. در طرح های الکترولیت درحالِ جریان، آب تولید شده در الکترولیت نگهداری می شود. برای ایجاد جریان الکترولیت، باید فضای بیشتری بین الکترودها وجود داشته باشد و این باعث افزایش مقاومت سلولی و کاهش قدرت خروجی نسبت به طرح های الکترولیت ساکن می شود. چالش دیگر برای این تکنولوژی این است که مسدود شدن دائمی کاتد توسط K2CO3 شدیدتر است. در این طرحها از کاتالیزورهای پلاتینی و یا فلز های غیر نجیب استفاده شده که باعث افزایش کارایی و همچنین افزایش هزینه می شود.
طراحی EloFlux با جریان متقاطع الکترولیت، دارای مزیت ساخت و ساز ارزان قیمت و الکترولیت قابل تعویض است، اما مشکلِ این طرح، این است که تنها با استفاده از اکسیژنِ خالص قادر به فعالیت است.
الکترود از ساختار دو لایه تشکیل شده است: یک لایه الکتریکی با کاتالیست فعال و یک لایه هیدروفوب. لایه فعال شامل یک ترکیب آلی است که ابتدا مسطح بوده و سپس در دمای اتاق رول می شود. ساختار هیدروفوب نیز مانع از نفوذ الکترولیت در کانال های جریان گاز می شود. هر دو لایه بر روی یک سطحِ فلزی هدایت می شوند و روندِ فعالیتِ سلول، تکمیل می شود.
این سلول ها، در مقایسه با سلول های سوختی با الکترولیتِ اسیدی، مزیت های بسیار زیادی دارند، مثلا اینکه سلول های سوختی آلکالاین بین دمای محیط و ۹۰ درجه سانتیگراد، با کارایی الکتریکی بالاتر از سلول های سوختی اسیدی ( مانند سلول های سوختی غشایی پروتون سلول های سوختی اکسید جامد و سلول های سوختی اسید فسفریک) عمل می کنند. آلودگی کمتر در مقایسه با سلول های سوختی اسیدی نیز یکی از مزیت های مهمِ این سلول ها محسوب می شود.
AFC ها ارزان ترین سلول های سوخت برای تولید هستند. کاتالیزور مورد نیاز برای الکترودِ آن ها می تواند از مواد شیمیایی مختلف تهیه شود که ارزان تر از مواد مورد نیاز برای سایر انواع سلول های سوختی است.
گفتنی است که اولین کشتی سوخت HYDRA در جهان، یک سیستم AFC با خروجی خالص ۵ کیلو وات داشت.
یکی دیگر از پیشرفت های اخیر، سلول سوختی آلکالاین حالت جامد است، که در آن به جای یک الکترولیت مایع، از یک غشای تبادل آنیونی جامد استفاده می شود. این کار، مسئله مسمومیت را که قبلا به آن اشاره شد را هم حل می کند.