תאי דלק מסוג חדש, מסוגלים לספק חשמל בביצועים גבוהים, תוך פעולה בטמפרטורות גבוהות
תאי דלק יעילים מתאי סוללה רגילים, מכיוון שאפשר לטעון אותם במהירות ולשחרר רק תוצרי לוואי נקיים – מים. לפיכך, טכנולוגיית תאי דלק היא טכנולוגיה ירוקה ומבטיחה עם יישומים בתחום הרכב, במכשירים ביתיים, כמו גם בתעשיית החלל וביישומים ימיים.
צעד חשוב בפיתוח טכנולוגיה ידידותית לסביבה זו, נעשה באחרונה, על ידי קבוצת המחקר של פרופ’ דריו דקל מהטכניון, בסיוע מענק מחקר מהקרן הלאומית למדע. פרופ’ דקל וצוותו פיתחו תא דלק המבוסס על ממברנה של חילופי “אניונים”, שהם יונים הטעונים במטען חשמלי שלילי, (AEMFC) הפועל בטמפרטורות גבוהות. כמו בתא אלקטרוכימי, תא דלק כולל אלקטרודות (קתודה ואנודה, שם מתרחשת תגובות חימצון-חיזור); וכן ממברנת אלקטרוליטים פולימרית, המאפשרים את זרימת היונים בין האלקטרודות. בניגוד לתאי הסוללה האלקטרוכימיים המקובלים המשתמשים ביונים מתכתיים אשר מאוחסנים לצורך פעולה, תא דלק פועל על אספקה רציפה של דלק (דוגמת מימן, מתנול ועוד), וחמצן (מהאוויר הסביבתי). אם האספקה נשמרת, תא הדלק ממשיך לפעול. תגובות אלקטרוכימיות אופייניות המופיעות בתאי הדלק הן חמצון של מימן באנודה וחיזור של חמצן בקתודה.
קצב התגובות האלקטרוכימיות הללו נמוך מאוד, ולכן יש להפעיל זרזים מתכתיים ממתכות יקרות (כמו פלטינה ופלדיום). הסוג השכיח של תאי דלק מבוסס על ממברנת מחליפי פרוטונים (PEMFC), תאי דלק של חומצה זרחתית, תאי דלק אלקליים ועוד. באחרונה פותחה קטגוריית משנה של תאי דלק אלקליים, המבוססים על ממברנת חילופי אניונים (AEMFCs), שבהם משתמשים בממברנה פולימרית להעברת יונים של הידרוקסיד (OH−) (אניון דו-אטומי של חמצן ומימן) בין האלקטרודות. תאי דלק אלה עדיפים בהשוואה לתאי דלק רגילים מכיוון שהם משתמשים בזרזים מתכתיים לא יקרים, כגון ברזל וניקל, במקום בפלטינה יקרה, ובכך מפחיתים משמעותית את עלות המוצר. בנוסף, AEMFC יכול לפעול עם מגוון רחב של דלקים, כגון דלקים מבוססי חנקן, שאי אפשר להשתמש בהם ב- PEMFC. תאי דלק המבטססים על ממברנת חילופי אניונים מסוגלים לבצע פעולות ארוכות טווח מכיוון שהם מכילים חומרים יציבים מאוד בסביבת תאי העבודה. בשנים האחרונות חלה התפתחות משמעותית בטכנולוגיית ה- AEMFC במונחים של מוליכות OH− שהובילה לעלייה בביצועי תאי דלק אלו. עם זאת, טמפרטורת העבודה של תאים אלה הייתה נמוכה למדי (40-80 מעלות צלסיוס), למרות הצורך בתא דלק יעיל הפועל בטמפרטורות גבוהות יותר.
פרופ’ דקל וצוותו הצליחו באחרונה לפתח תאי דלק המבוססים על ממברנת חילופי-אניונים בטמפרטורה גבוהה, המסוגלים לפעול בטמפרטורות של יותר מ-100 מעלות צלסיוס. ממברנת חילופי האניונים (AEM) שנבדקה ב- 110 מעלות צלזיוס הציגה מוליכות גבוהה של ההידרוקסיד (OH−) שהייתה קרובה ל -300 מיליסימנס לס”מ (סימנס היא יחידת המידה של מוליכות חשמלית), גבוה בהרבה ממה שדווח בעבר. שיטה שפותחה קודם לכן על ידי קבוצתו של פרופ’ דקל (“מחוץ לאתר”), נועדה למדוד את המוליכות ההידרוקסיד האמיתית בטמפרטורות גבוהות. שיטה זו כוללת יישום זרם חשמלי חיצוני דרך הממברנה, כדי לאלץ את שחרורם של האניונים הגדולים בצורת פחמן דו-חמצני מאלקטרודה אחת בעזרת היווצרות באתר (in-situ) של (OH−) באלקטרודה הנגדית. הזרם מופעל ברציפות עד להחלפת כל האניונים בממברנה ל OH−.
שיטה זו קלה ליישום ומספקת תנאי סביבה הדומים לתא דלק במצב עבודה. ממברנת חילופי אניונים של תאי דלק בטמפרטורות גבוהות שפיתחה קבוצת המחקר בטכניון, הציגה ביצועים גבוהים: תאי הדלק שמרו על ביצועים של 0.8 וולט לאחר 50 שעות פעילות בצפיפות זרם קבועה של 200 מיליאמפר לסמ”ר. תגלית זו של היתכנות הפעלת ממברנת חילופי אניונים של תאי דלק בטמפרטורות גבוהות פתחה תחום מחקר חדש והציבה אבן דרך משמעותית בטכנולוגיית תאי הדלק המבוססים על ממברנת חילופי אניונים.
קבוצת המחקר בראשות פרופ’ דקל, בשיתוף פעולה עם פרופ’ ברנדון מהטכניון, תכננה גם מודל חישובי המאפשר לחזות את יציבות הביצועים של תאי דלק מבוססי ממברנה של חילופי אניונים. המודל לוקח בחשבון פרמטרים שונים של תאים, כגון דעיכה כימית של הממברנה, תלותה ברמת ההידרציה, תכונות חומר התא, וכן גורמי תכנון ותנאי הפעלה, כדי לחזות את יציבות הביצועים של התאים. מודל זה איפשר לחוקרים לגלות את החשיבות של צפיפות זרם ההפעלה ומאפייני הממברנה על ביצועי תא הדלק ואורך חייו. המודל גם חזה שיפור משמעותי ביציבות תאי דלק אלה, עם השגת אורך-חיים תיאורטיים הגבוהים מ- 5,000 שעות, בהתבסס על שימוש בממברנות דקות יותר ובחומרים עם קינטיקת דעיכה מופחתת. יישום תנאים אלה במהלך פיתוח תאי דלק מסוג זה, עשוי לספק את דרישות אורך החיים של תאי הדלק, כך שיוכלו לשמש, בין היתר, להפעלת מכוניות.
החיים עצמם:
פרופ’ דקל אוהב לשחק שחמט. לטייל, ולהכיר אנשים מתרבויות שונות.
עוד בנושא באתר הידען:
