תא דלק

תא דלק (באנגלית: Fuel cell) הוא תא אלקטרוכימי, אשר ממיר אנרגיה כימית לזרם חשמלי. חשמל נוצר בתוך התא על ידי ריאקציה בין דלק וחומר מחמצן, בנוכחות אלקטרוליט. החומרים שמשתתפים בריאקציה זורמים לתוך התא, תוצרי הריאקציה זורמים החוצה מן התא, בעוד שהאלקטרוליט נשאר בתוכו. תאי דלק יכולים לפעול בצורה רציפה, ללא הגבלת זמן, כל עוד נמשכת זרימת הדלק והחומר המחמצן אל תוך התא. תאי דלק שונים מתא אלקטרוכימי הקרוי מצבר או סוללה בזה שלא כמו במצבר, הריאקציה הכימית מתבצעת על חומרים שמסופקים אל התא מבחוץ, כלומר הוא פועל כמעגל תרמודינמי פתוח. לעומת זאת המצבר מאכסן בתוכו אנרגיה חשמלית בצורה כימית ולכן הוא פועל במעגל תרמודינמי סגור. מספר צרופים לא מועט של חומרים ומחמצנים אפשריים לשימוש. תא דלק מימני מנצל מימן כדלק וחמצן (בדרך כלל מן האוויר) כחומר המחמצן. דלקים אחרים כוללים פחמימן וכוהל בצורות שונות. מחמצנים אחרים כוללים כלור ודו-תחמוצת הכלור. ככלל, תאי הדלק השונים פועלים באופן דומה. לתאים שלושה רכיבים צמודים זה לזה: האנודה, האלקטרוליט והקטודה. שתי ריאקציות כימיות מתרחשות בשטחי המגע בין שלושת הרכיבים. תוצאת שתי הריאקציות היא התכלות הדלק והמחמצן, היווצרות מים או פחמן דו-חמצני והפקת זרם חשמלי, אשר ניתן לנצלו להפעיל צרכן חשמל, שבדרך כלל נקרא עומס. בצד האנודה, זרז מפריד את הדלק, בדרך כלל מימן, ליונים טעונים במטען חיובי ואלקטרונים טעונים מטען שלילי. האלקטרוליט הוא חומר שמתוכנן במיוחד כך שיונים עוברים דרכו ואילו האלקטרונים לא יכולים לעבור. היונים עוברים דרך האלקטרוליט לקטודה. כאשר היונים מגיעים לקטודה הם מתחברים מחדש לאלקטרונים, יוצרים ריאקציה בנוכחות חומר מחמצן, ויוצרים מים, H2O, או פחמן דו-חמצני. בצורה כזאת נטענת האנודה במטען שלילי והקטודה נטענת במטען חיובי. הפרמטרים החשובים ביותר בתכנון תא דלק הם: תכונות האלקטרוליט. התכונות האלה בדרך כלל מגדירות את טיפוס תא הדלק. הדלק שבשימוש. הדלק המקובל ביותר הוא מימן. זרז האנודה, אשר מפרק את הדלק ליונים ואלקטרונים. זרז האנודה עשוי בדרך כלל מאבקת פלטינה מאוד עדינה. זרז הקטודה, אשר הופך את היונים לפסולת של התהליך, אם זה מים או פחמן דו-חמצני. זרז זה עשוי לרוב מניקל. תא דלק טיפוסי מייצר מתח שנע בין 0.6 ל-0.7 וולט בעומס מלא. המתח יורד כאשר הזרם עולה, מכמה סיבות. הפסדי הפעלה. הפסדים אוהמים (הפסדים בגין התנגדות הרכיבים לזרם. הפסדים אלה הופכים לחום בתא). הפסדי העברת מסות (התדלדלות החומר באתרי הזרזים בעומס גבוה, גורם לנפילת מתח מהירה). התאים יכולים להיות מחוברים בחיבור טורי או בחיבור מקבילי, כאשר חיבור טורי מביא למתח גבוה יותר של המערכת, וחיבור מקבילי מאפשר זרם גבוה יותר. תכנון כזה נקרא מערכת תאי דלק. ככל ששטחי המגע בין שלושת רכיבי התא (אנודה, אלקטרוליט וקטודה) גדולים יותר, הזרם מכל תא יהיה חזק יותר. העיקרון של תא דלק התגלה על ידי מדען גרמני בשם כריסטיאן שנביין (Christian Friedrich Schönbein) בשנת 1838, ופורסם באחד מירחוני המדע באותה עת. על בסיס עיקרון זה נבנה תא הדלק הראשון והוצג לראשונה על ידי מדען וולשי בשם סר וויליאם רוברט גרוב (Sir William Robert Grove) בכתב-העת The Philosophical Magazine and Journal of Science במהדורה של פברואר 1839. תא הדלק היה בנוי מאותם חומרים שבנוי תא הדלק חומצה זרחתית של היום. הפיתוח הבא אירע רק בשנת 1955, על ידי כימאי בשם תומאס גרוב (W. Thomas Grubb), אשר עבד בארצות הברית בחברת ג'נרל אלקטריק, ומרגע זה נערכו פיתוחים ושיפורים באופן רציף, עד שבשיתוף פעולה בין ג'נרל אלקטריק, התעשייה האווירית מקדונל ונאס"א (NASA) נבנתה מערכת תאי הלחץ הראשונה אשר שימשה את פרויקט החלל ג'מיני. בשנת 1959 נבנו מספר גדל והולך של תאי דלק גם בבריטניה (בהספק של 5 KW) וגם בארצות הברית (בהספק של 15 KW), כאשר כל מערכת הייתה בנויה מחומרים אחרים. מחלקת הספק של חברת יונייטד טכנולוג'י קורפורישן (United Technologies Corporation's UTC) הייתה הראשונה אשר בנתה ושווקה מערכת תאי דלק גדולה (בת 200 KW),למטרות קו-גנרציה בתחנות כוח של בתי חולים, אוניברסיטאות, ובניני מגורים גדולים. היום המערכת הגדולה ביותר היא בעלת הספק של 400 KW. תאי דלק בסיסיים (Alkaline fuel cells או AFC), משתמשים במימן ובחמצן שמאוכסנים בלחץ. האלקטרוליט עשוי בדרך כלל ממימת אשלגן. מאחר שבנוסף לחשמל, תוצר הלוואי הנוסף הוא רק מים, זוהי בחירה הגיונית לשימוש בתעשיית החלל, ואכן סוכנות החלל נאס"א (NASA), משתמשת בתאי הדלק הללו בצי מטוסי החלל שלה ובכל תוכנית אפולו. הנצילות החשמלית של התא היא לערך 70%. עם זאת, ישנן שתי מגרעות: הראשונה - תא הדלק דורש מימן ברמת ניקיון גבוהה מאוד, על מנת למנוע ריאקציה שגורמת להתגבשות קרבומטים, אשר מפריעים לכל התהליך. המגרעת השנייה - האלקטרודות עשויות פלטינה, שהיא יקרה מאד. תא דלק עם חומצה זרחתית (PAFC), עבר תהליכי פיתוח במשך יותר מ-20 שנים ולכן נחשב לצורה בשלה מבחינת פיתוח ושימושיות מסחרית. המגרעה המרכזית שלו היא שהדלק חייב להיות נקי לחלוטין משאריות גפריתיות. דרישה זאת חשובה במיוחד אם מוצאו של המימן שבשימוש מקורו מבנזין. תא דלק עם קרבונט מותך (MCFCs) משתמש בתערובת של מלחי קרבונט מותך בתור אלקטרוליט, אשר כלוא בתוך מטריצה קרמית. האנודה עשויה מנתך של ניקל-כרום והקתודה עשויה מתחמוצת ניקל. תא דלק עם תחמוצת מוצקה (SOFC), משתמש באלקטרוליט במצב מוצק. עובדה זאת מקטינה משמעותית את בעיות הקורוזיה ומבטלת את בעיות הטיפול המיוחד שיש להעניק לאלקטרוליט נוזלי. התחמוצת המוצקה מבוססת על השימוש בקרמיקה מוצקה כאלקטרוליט. בעקרון האלקטרוליט המוצק הוא בעל תכונות המזכירות את המוליכים למחצה. האנודה עשויה נתך של ניקל ותחמוצת זירקון, ואילו הקתודה עשויה נתך של מגנזיום. חד תחמוצת הפחמן (CO) אינו מהווה רעל לתא ונתן להשתמש בו ישירות כדלק. כמו כן התא לא ניזוק מנוכחות שאריות גפרית. התא מסוגל לפעול עם פחמימן כדלק, כלומר הוא מסוגל לפעול עם דלקים כמו גז פחם, בנזין, סולר, דלק מטוסים, כהל, וגז טבעי. תא דלק עם ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM), שלמעט תא דלק אלקלי מודרני שמשרת את תעשיית החלל, מציע הספק שהוא בסדר גודל גבוה יותר מכל תא דלק אחר. PEM יכול לפעול עם כל חומר שהופק מדלקים פחמימניים. הוא פועל בטמפרטורות נמוכות ולכן התנעתו היא מיידית. היתרון הנוסף הוא שאין צורך בבידוד למניעת אפשרות של תאונת כוויות של המפעיל. בתכנון זהיר ומדויק במיוחד, יכול תא דלק PEM להיות מופעל גם בצורה הפוכה, דהיינו לבצע אלקטרוליזה של מים. תא כזה נקרא Unitized Regenerative Fuel Cell (URFC). במצב כזה מפרק התא מים למימן וחמצן. השימוש העתידי שנמצא עדין בפיתוח, לייצר ביום חשמל בעזרת השמש, לנצל חשמל זה לאלקטרוליזה ולאגור את המימן, ולהשתמש בו לייצר חשמל בלילה. הסדור הזה עדיף במקומות בהם משקל הוא פרמטר חשוב, כי פתרון כזה הרבה יותר קל ממשקלם של תא סולרי ושל מתקן נפרד לאלקטרוליזה. צפיפות האנרגיה של URFC היה בשנת 1995 ווט-שעה לכל קילוגרם משקל. תא דלק עם מתנול ישיר (DMFC) דומה במידה מסוימת ל- PEM כי שניהם משתמשים בממברנה פולימרית כאלקטרוליט. אולם ב- DMFC הקטליזטור של האנודה מושך את המימן מהמתנול הנוזלי, וכך מונע את הצורך להשתמש במתקן מיוחד שמפריד את המימן מחומר הדלק. תאי DMFC משמשים כלי רכב, וצרכני חשמל ניידים אחרים, אזרחיים וצבאיים. תא דלק עם פחם ישיר (DCFC) מבוסס על תהליך הקרוי המרת פחם ישירה, שבו חלקיקי פחם מתחברים בתהליך אלקטרוכימי לפרודות חמצן לייצור פחמן דו-חמצני (CO2) וחשמל. דלק הפחם יכול להגיע מכל סוג של פחמימנים, כולל פחם אבן, פחם-עץ, גז טבעי, נפט וכדומה. תאי דלק מאוד שימושיים כספקי חשמל במקומות מבודדים, כגון חלליות, תחנות ניטור מזג אוויר נידחות, פארקים גדולים, חוות חקלאיות גדולות, ומספר לא מבוטל של שימושים צבאיים. תא דלק מימני יכול להיות קומפקטי, קל, וללא חלקים נעים. בגלל העובדה שאין להם חלקים נעים, ואין בהם בעירה כלשהי, בתנאים אידיאליים הם מגיעים לרמת אמינות של 99.9999%. פירושו של דבר שסטטיסטית יש להם הפסקת פעולה של דקה אחת בתקופת עבודה של שנתיים. היתרון הגדול של מערכת תאי דלק על פני מצברי חשמל, הוא בעיקר בספקי חשמל גדולים, לדוגמה חוות חקלאיות. זאת כיוון שמצברים אוגרים בתוכם את האנרגיה החשמלית, ואילו אצל צרכני אנרגיה גדולים המצברים חייבים להיות בעלי גודל מתאים, בעוד שבמערכת תאי דלק האנרגיה אצורה במכלי דלק. הדבר מוזיל משמעותית את עלויות המתקן. קיימות מערכות קוגנרציה לשימוש ביתי או שימוש בבנין משרדים, כאשר האנרגיה העיקרית היא חשמל שנוצר בתאי הדלק, ואוויר חם או מים חמים אשר מופקים מהחום שנוצר במהלך הריאקציה. המערכת מייצרת חשמל ברציפות, כאשר עודף החשמל נמכר לרשת החשמל. מאחר שחלק מהאנרגיה מנוצל לחום, יעילות המערכת בייצור חשמל יורדת במידת מה. ישנם מספר אבות-טיפוס ומכוניות בייצור אשר משתמשים בטכנולוגיית תאי הדלק, ומשמשים את מחלקות המחקר של יצרני מכוניות. הניסיון הראשון היה של חברת GM אשר ייצרה בשנת 1966 את ה-אלקטרה-וואן, מונע על ידי מערכת תאי דלק מימניים. הרכב היה כפול במשקל בהשוואה לרכב דומה בעל הנעה רגילה, הגיע למהירות 113 קמ"ש למשך 30 שניות. בשנת 2001 פיתחה "ג'נרל מוטורס" באמצעות יצרנית הרכב הגרמנית אופל את דגם ה-GM HydroGen3 שהגיע למהירות של 160 קמ"ש. בשנת 2008 פיתחה את דגם ה-GM HydroGen4. בשנת 2001, קרייזלר יצאה עם קרייזלר נטריום, כאשר הרכב ייצר את המימן בעצמו, על ידי ריאקציה כימית בין הידריד-בור ובּוֹרַקְס. המכונית מאוד שקטה בהפעלה ובעלת טוח של 483 קילומטר ללא הפרעה למושבי הנוסעים. בשנת 2005 פותח בבריטניה הדגם הראשון של אופנוע מונע במימן, בשם ENV (קיצור של Emission Neutral Vehicle) בעל טוח של 161 קילומטר בשטח בנוי, משך נסיעה מקסימלי של ארבע שעות, ומהירות מרבית של 80 קמ"ש. בשנת 2008 הוציאה חברת הונדה לשוק מכונית מימנית בשם FCX Clarity. בשנה זאת התווספו עוד מספר אופנועים מונעי מימן לשוק. מספר חברות עורכות מחקרים עם תאי דלק לשימוש באוטובוסים. המובילה ביניהן היא חברת דיימלר, אשר סיימה ניסויים על פני שלוש שנים שנערכו באחת עשרה ערים. בשנת 2009 חטיבת מרצדס-בנץ הציגה את מכונית הקונספט : מרצדס-בנץ F-Cell רודסטר. יצרנית הרכב יונדאי מוטור הציגה בשנת 2014 את מכונית הקונספט בתצורה SUV : יונדאי אינטראדו. בשנת 2018 התחילה לשווק את דגם יונדאי נקסו. חברת טויוטה החלה למכור ב-2015 את דגם ה"מיראי" ("עתיד" ביפנית), המבוסס על דגם ה"קאמרי" ומונע בתא דלק מימני . מחיר הרכב בארצות הברית בהשקתו עמד על 57,500 דולר לפני הטבות ממשלתיות. סה"כ נמכרו כ 22,000 מיראי, כמחציתן בארצות הברית והיתר ביפן, הממלכה המאוחדת, גרמניה, בלגיה, דנמרק ונורווגיה. בשנת 2013 היו בארצות הברית כ-4,000 מלגזות תא דלק. מחלקת המחקר של חברת בואינג, ביחד עם שותפים אירופאיים, ערכו טיסת ניסוי בפברואר 2008 מאוישת (טיסת הניסוי הראשונה הבלתי מאוישת בוצעה כבר בשנת 2003), מונעת רק בתאי דלק ומצברי חשמל. "מטוס המדגם לתאי דלק" כפי שהוא נקרא (Fuel Cell Demonstrator Airoplane), היה מצויד בתאי דלק מסוג ממברנת החלפת פרוטונים (PEM) שהניעו מנוע חשמל אשר היה מחובר למדחף רגיל. כלי השיט הראשון בעולם שהשתמש בתאי דלק להנעה היה HYDRA שהשתמש במערכת AFC בהספק של 6.5 KW. הצוללות שנבנו בגרמניה מדגמים 212 ו- 214, שנמצאות בשימוש הצי הגרמני, הצי האיטלקי ועוד מספר ציים, מצוידות במערכות הנעה לצוללות ללא תלות באוויר חיצון, אשר מאפשרת לצוללת לשהות מתחת לפני המים במשך תקופות ארוכות (מאות שעות, ולעיתים אף יותר). תחנת תדלוק מימן ראשונה נפתחה באפריל 2005 ברייקיאוויק, איסלנד. תחנה זאת מספקת מימן לשלושה אוטובוסים שנבנו על ידי דיימלר-קרייזלר ופועלים בשרות הציבורי ברייקיאוויק. התחנה מייצרת בעצמה את המימן הדרוש, בעזרת מתקן אלקטרוליזה. היתרון של השיטה הוא בעובדה שאין צורך באספקת מימן לתחנת התדלוק (אלא רק לספק מים וחשמל), ומוצר הלוואי היחידי הוא חמצן המשוחרר לאוויר. בקליפורניה מתפתח השימוש של תאי-דלק למכוניות בעידודו הנמרץ של מושל קליפורניה. בשנת 2007 נעו 179 רכבי תאי-דלק ברחבי המדינה ו-25 תחנות תדלוק. גם קרוליינה הדרומית עוסקת בהקמת רשת תחנות תדלוק במדינה, כאשר שתיים מהן כבר פועלות. מדינות נוספות בהן עוסקים בהקמת תחנות תדלוק הן: יפן, קנדה, שוודיה ונורווגיה. Bloom Energy Server הנעת מטוס ללא טייס בתאי דלק ארז גרטי, תא דלק מימן, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 באפריל 2010 אתר בנושא תאי דלק רוני ליפשיץ: האם תאי דלק הם הפתרון המיוחל לתדלוק מכוניות העתיד? גלילאו - המגזין הישראלי למדע ואקולוגיה, גיליון 8 ינואר/פברואר 1995. תוכנית האנרגיה בטכניון תאי דלק, דף שער בספרייה הלאומית יש גם שקוראים לתא דלק זה תא דלק עם ממברנת החלפת פרוטונים