חומר חדשני משפר את ביצועיהם של תאי דלק

תאי דלק מימניים, שמפיקים חשמל מאינטראקציה כימית בין מימן לחמצן, מעוררים היום עניין רב בתחום האנרגיה הירוקה. זאת מכיוון שהתהליך הכימי המתרחש בתוכם מייצר רק מים ומעט חום ולכן הם אינם מזהמים את הסביבה. לתאי דלק אלה יש מגוון עצום של יישומים עכשוויים ופוטנציאליים ובהם הנעת כלי רכב, מתקני חלל ומתקנים ביטחוניים, תאורה, חימום ומיזוג מבנים וכן אספקת חשמל נקי ליישובים מרוחקים שאינם מחוברים לרשת החשמל.

חוקרים בכל העולם עמלים על שיפור ביצועיהם של תאי הדלק המימניים, בעיקר בשני מדדים מרכזיים: תפוקת החשמל ואורך החיים של תא הדלק. קבוצת חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב ומהפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון בטכניון הגיעה לאחרונה להישג חשוב בתחום זה: החוקרים פיתחו חומר חדש המשולב במבנה הפנימי של תאי דלק מימניים מהסוג המכונה אלקלי ומשפר את תפוקת החשמל שלהם בכ-50%. מדובר בצעד חשוב לכיוון פיתוח של תאי דלק מימניים עם תפוקה גבוהה ותוחלת חיים ארוכה – עד עשרות אלפי שעות.

המחקר בוצע על ידי ד"ר בריאן רוזן, ראש המעבדה לחומרי אנרגיה במחלקה למדע והנדסה של החומרים בפקולטה להנדסה ע"ש בברלי ואלדר פליישמן באוניברסיטת תל-אביב, עם פרופ' דריו דקל מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון, המנהל את מעבדתTEEM (Technion Electrochemical Energy based on Membranes) והנו אחד החוקרים המובילים בתחום תאי דלק חדשניים מסוג AEMFC. הוא מומן על ידי משרד האנרגיה ו-) INREPמרכז המחקר הישראלי להנעה אלקטרוכימית) ופורסם בכתב העת היוקרתי ACS Catalysis.

מסביר ד"ר רוזן: "בתוך תא דלק מימני יש שתי אלקטרודות – אלקטרודה של חמצן ואלקטרודה של מימן. התהליך הכימי שמתרחש ביניהן גורם למימן להתפרק ולשחרר אלקטרונים – שהם הזרם החשמלי, בעוד החלקיקים הנותרים מתקשרים לחמצן ויוצרים מים. יעילות התהליך – כלומר כמות החשמל המופק מול כמות הדלק (מימן) המושקעת – נקבעת במידה רבה על ידי זרז (קטליזטור), חומר שתפקידו להאיץ את התהליך הכימי. רוב הזרזים המצויים כיום בתאי דלק הם ננו-חלקיקים של סגסוגת של פלטינה. הם מוחזקים במקומם על ידי חומר תומך שגודלו כמיקרון (פי אלף מגודלו של ננו-חלקיק), העשוי על פי רוב מפחמן – חומר שנבחר למשימה מכיוון שהוא זול יחסית ומוליך חשמל. הבעיה היא שהפחמן עובר עם הזמן תהליך של הגרעה (דגרדציה), דבר הגורם לירידה בביצועיו של תא הדלק."

לדברי החוקרים, מרבית המחקרים השואפים לשפר את ביצועי תאי הדלק מתמקדים בזרזים הזעירים. המחקר הנוכחי, לעומת זאת, מציע גישה פורצת דרך: הוא מתמקד דווקא בבסיס המייצב את החלקיקים. לצורך זה פיתחו החוקרים במעבדתם חומר חדש שיחליף את הפחמן: סגסוגת של קרבידים, או במילים אחרות, שילוב מתכתי של חומרים המכילים פחמן.

ד"ר רוזן: "מצאנו שהחומר התומך החדש יעיל במיוחד לשיפור הביצועים של תאי דלק מימניים מהסוג המכונה תאי דלק אלקליים. תאי דלק אלה מתאפיינים בחומציות נמוכה ובאורך חיים ממושך, אך נכון להיום תפוקת האנרגיה שלהם נמוכה בהשוואה לתאי דלק מימניים אחרים, שניתן לכנותם חומציים. מסיבה זו נשלט כיום השוק על יד תאי הדלק החומציים, כאשר 'המחיר' של התפוקה הגבוהה הוא תוחלת חיים קצרה – בעיקר כשמדובר ביישומים ניידים כמו כלי רכב וחלליות. באמצעות החומר החדש הצלחנו להגדיל בכ-50% את תפוקת החשמל של תאי הדלק האלקליים ארוכי-החיים ופתחנו כיוון חדש למחקר בתחום. מטרתנו היא לפתח בעתיד תאי דלק מימניים אלקליים בעלי תפוקת חשמל גבוהה ואורך חיים של עד 8,000 שעות, שיחליפו את תאי הדלק החומציים המקובלים היום בשוק, שפועלים רק 5,000 שעות, במגוון רחב של יישומים ניידים."

פרופ' דקל מסביר "זוהי הפעם הראשונה שבסוג זה של תאי דלק, התמקדות הפיתוח בא מהכיוון של חומר התומך של הזרז. אני מאמין שעבודה זו תמשוך הרבה תשומת לב, ויביא להתקדמות ממשית בטכנולוגיה."