תאי דלק קרים

תאי דלק מבטיחים להיות מקור הכח הידידותי לסביבה של העתיד, אבל כמה דגמים מתחממים מאד מכדי להיות פרקטיים. מחקר חדש עשוי לתת את הפתרון

מאת: Patrick L. Barry (תרגום: אלי בן דוד)

למעלה: טויוטה FINE-S, מכונית קונספט, בת-כלאיים-חשמלית, מבוססת על תא-דלק-מימן, נחשפה בתערוכת המכוניות הבינלאומית של צפון אמריקה בינואר 2003; למטה משמאל: מחסנית תא-דלק-תחמוצת-מוצקה (SOFC) בפעולה; למטה מימין: תחנות תדלוק-מימן כמו זו שבתמונה בוונקובר, קנדה עדיין נדירות. הרכב המתדלק בתמונה הוא Ford FCV

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/coldfs.html

אסטרונאוטים משתמשים בהם ליצירת כח חשמלי בחלליות מאז שנות ה-60. בקרוב, אולי, הם יהיו בשימוש המוני גם על כדור הארץ, כדלק למכוניות, משאיות, מחשבי לפטופ וטלפונים סלולריים. הם נקראים תאי דלק.
ע”י עירוב דלק מימני עם חמצן, תאי דלק יכולים להפיק שפע אנרגיה חשמלית בו בזמן שהם פולטים מים זכים כחומר פליטה. הם כל כך זכים עד כי אסטרונאוטים, למעשה, שותים את המים המיוצרים על ידי תאי הדלק של המעבורת.

בשנים האחרונות גבר הענין לקדם ולשווק את הטכנולוגיה הידידותית-לסביבה, אבל יש כמה בעיות: אתה לא יכול “למלא טנק” עם מימן בשום תחנת דלק פינתית, ומכוניות מבוססות טכנולוגיה של תאי-דלק, כמו גם כמה מחשבים עדיין יקרים יחסית. מכשולים כאלה מצמצמים את השימוש בתאי-דלק למספר מכוניות הדמו ושימושים מיוחדים, כמו מקור אנרגיה על סיפון המעבורת וגיבוי למקורות אנרגיה של בתי חולים ושד”ת.

עכשיו מחקר חדש מנסה להתמודד עם כמה מהמכשולים, ע”י מציאת הדרך לבנות תאי-דלק של “תחמוצת מוצקה” (“solid oxide”) הפועלים במחצית הטמפרטורה של הדגמים העכשוויים: 500 מעלות סלציוז במקום 1,000 מעלות סלציוז. חוקרים ב”מרכז למוליכות-על וחומרים מתקדמים” (TcSAM), באוניברסיטת של יוסטון, טקסס, מקווים לעשות את הסוג הזה של תאי-דלק גם זולים לייצור וגם קלים לתדלוק.

“המפתח לקידום העניין הוא יצור לב תא-הדלק – לוח האלקטרוליטים המפקח על זרימת היונים החשמליים הטעונים – על סרט דק בעובי של מיקרון אחד”, אומר Alex Ignatiev, מנהל TcSAM. לתאי-דלק-תחמוצת-מוצקה הקיימים היום, יש שכבות אלקטרוליטים בעובי של 100 מיקרון או יותר (מיקרון הוא החלק האלף של המילימטר). איגנטייב מסביר: “העובי הדק מסלק התנגדות פנימית של זרימה חשמלית, כך שאנו יכולים לקבל תפוקת חשמל שווה בטמפרטורת הפעלה נמוכה”.

כדי לקבל שכבה אולטרה-דקה כזאת, איגנטייב ועמיתיו ב- TcSAMלא יושבים “לגלח” שכבות מגושי חומר כדי לקבל את התוצאה המקווה, אלא הם מגדלים אלקטרוליטים אטום-אטום, מניחים כל פעם שכבה אחת של אטומים בתהליך שנקרא epitaxy. הסרטים הדקים בתאי-הדלק של TcSAM הם בעובי של 1000 אטומים.

סחיטת אותה כמות של אנרגיה בפחות טמפרטורה יוצרת אפקט דומינו של חיסכון. מחד גיסא, אפשר להשתמש בחומרים זולים יותר לייצורם, מאשר להשתמש בחומר קרמי-עמיד-חום ופלדה בעמידות-גבוהה הדרושה לתאי-דלק הפועלים בטמפרטורה של 1.000 מעלות סלציוז. מאידך גיסא, עבור תעשיית הרכב ומכשירי האלקטרוניקה האישיים והביתיים היכולים לפעול באמצעות תאי-דלק אלה אפשר לוותר על חומרים אקזוטיים ולפתח מערכת פיזור-חום, תוך הוזלת עלויות ייצור. כל זה מווסת את אפשרויות הביצוע הכלכליות לכיוון הרצוי.

התמיכה בתאי-דלק כתחליף למנועי בעירה-פנימית היא עכשיו נרחבת. כל יצרני הרכב עסוקים בפיתוח רכבי תאי-דלק, והנשיא בוש הציע לאחרונה תקציב של 1.2 מיליארד דולר לסייע בשיווק הטכנולוגיה. גם תעשיית מכשירי האלקטרוניקה הנישאים משקיעה במחקר של תאי-דלק מיניאטוריים כתחליף ארוך יותר, חזק יותר לסוללות יבשות. אינטל, למשל, מימנה חברת סטרט-אפ בשם polyfuel לפיתוח תאי-דלק כאלה עבור מחשבי לפטופ.
אב הטיפוס של המחשב הנישא תוצרת קאסיו, פועל יותר מ-20 שעות רצופות על “תדלוק אחד” של תא הדלק שלו, הנראה כאן בנפרד מהמחשב.
תאי-דלק-תחמוצת-מוצקה הם אחד משישה סוגים המפותחים היום. כל אחד תלוי בטריק כימי שונה לעירוב מימן עם חמצן לייצור כח חשמלי. תעשיית הרכב מטפלת בתאי-דלק-ממברנות-פרוטון-מומר (PEM) כדי להניע את מכוניות ומשאיות המחר, אבל כמה חברות גם שוקלות את היתרונות של הסוגים השונים של תחמוצת-מוצקה.

אחד היתרונות הבולטים הוא היכולת להשתמש בדלקים זמינים ומוכנים כמו מתאנול או אפילו בנזין המכילים מימן הקשור לפחמן ולפעמים גם חמצן. חמשת סוגי תאי-דלק האחרים יכולים לעשות זאת גם כן אבל רק בעזרת התקן שנקרא “רפורמר” הסוחט מימן טהור מהדלקים האחרים. אבל הרפורמרים האלה עולים כסף נוסף, מוסיפים נפח למנוע, מורידים הספק, ובאופן כללי מפחיתים את היעילות לכדי מחצית.

תאי-דלק-תחמוצת-מוצקה יכולים לצרוך דלק דמוי-מתאנול בלי עזרת הרפורמר.

רוב התועלת הסביבתית הנובעת משימוש בתאי-דלק תתבטל כאשר ישתמשו בדלקים הידרוקרבוניים, מאחר שסחיטת המימן מהם משאירה מאחור את ה-CO2 ומזהמים אחרים המוצאים את דרכם, שוב, לצינור הפליטה. אבל זה עוזר לפתור את בעיית “התרנגולת והביצה”: מי באמת יקנה מכונית מונעת-מימן לפני שבתחנות הדלק יהיו משאבות-מימן? איזה חברה הולכת לשלם התקנת משאבות מימן במאות ואלפי תחנות דלק לפני שהמון רכבי-תאי-דלק יציפו את הכבישים? ובכן, תאי-דלק-תחמוצת-מוצקה יכולים לגשר על הפער. הם יכולים לפעול על מתאנול או בנזין עכשיו ואחר כך לעשות סוויטש למימן טהור כאשר יהיה זמין.

מגוון השכבות-הדקות המפותחות כעת ב-TcSAM משפרות את גמישות התדלוק. איגנטייב מסביר: “תאי-דלק-תחמוצת-מוצקה יכולים להשתמש בדלק כמו מתאנול, אבל הם נפגמים במשך הזמן כאשר מתגבשת שכבה פחמנית על אלקטרודות הניקל של תאי הדלק. זה קורה חלקית בגלל פעולת החימום הגבוהה של תאי הדלק הנוכחיים (1,000 מעלות סלציוז). המחקר מראה שזה לא קורה – לפחות לא ברמת ההערכה – בטמפרטורה נמוכה יותר כפי שהתאים שלנו פועלים”.

תאי-דלק של TcSAM טרם נוסו עם דלקים אחרים מלבד מימן, אומר איגנטייב, אבל המדענים מתכננים לבצע ניסויים עם דלקים דמויי-מתאנול בשלב הבא של המחקר.

עדיין יש הרבה עבודה לעשות. אם הכל ילך כשורה, סרטים-דקים אלה יוכלו לסלול את הדרך לשימוש בטוח ונקי במנועי רכבי SUV ופלאי כלכלה מבוססת-מימן.

לידיעה באתר FIRST SCIENCE
ידען האלף השלישי

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~676177338~~~170&SiteName=hayadan