הדבר הפנטאסטי הזה לא מרפה ממני , הרכב מימני

מאמר מרתק של פייר בהזי, לשעבר מהנדס ראשי פיתוח ומחקר של רנו וכיום מנכ"ל חברה המפתחת ומייצר תאי דלק מימניים , תרגמתי פרקים שלדעתי מאוד מעניינים. בבקשה :

מאמר על תאי דלק מספר HYDROGENE של PIERRE BEUZIT (תורגם על ידי דוד ברזילי)

האופטימיסטים אומרים שהחל משנת -2015-2010 יתחילו לנוע בכבישים מכוניות מימן , הפסימיסטים אומרים שרק אחרי 2020 או מ- 2030 ינועו בכבשים כלי רכב מימניים.

מכונית מונעת מימן היא למעשה גנראטור המייצר חשמל כך שניתן לצאת איתה לפיקניק ולחבר לרכב מיקרוגל , מקרר ועוד .

באופן פרדוקסאלי טויוטה פריוס ההיברידית היא שגרמה לרב שיח בעולם על המימן כדלק לכלי רכב לאחר שנמכרו בעולם יותר מ-700 אלף מכוניות.

כנראה שחברת רנו תתחיל לייצר מכוניות היברידיות החל משנת 2009 כאשר מנועי השריפה יופעלו עם ביו-דלק.

כיום מפתחים מצברים LMP (ליטיום-מיטל-פולימר) עבור מכוניות חשמליות המסוגלים להניע מכונית לטווח של 200 ק"מ ללא טעינה של המצברים.

כיום בעולם יש תחנות דלק ירוקות המוכרות ביו-אטנול או בשמו האחר E85 שהכוונה היא 85 אחוז אטנול ו-15 אחוז בנזין וכל זה לצמצם CO2 מהפליטה.

המימן הוא האטום הזעיר ביותר ביקום , במימן נע בזוגות כלומר H2 שהיא הפרודה או המולקולה הקטנה ביותר ביקום שלנו. המימן מכיל פרוטון אחד ואלקטרון אחד. לשם המחשה אם מכניסים מימן לתוך בקבוק פקוק המימן יברח דרך סריג הזכוכית בקלות רבה וכאילו הזכוכית היא רשת דייגים עבור המימן.

המימן לא מצוי באופן חופשי בטבע אלא הוא תמיד נמצא בתרכובת עם אטומים אחרים.

שריפת מימן באותו היחס המשקלי של בנזין יספק המימן פי 3 יותר אנרגיה מהבנזין.

כידוע , המים עשויים משני אטומים של מימן ואטום אחד של חמצן H2O והאמוניה עשויה מ-NH3 .

100 ליטר של מים מכילים רק 116 גרם של מימן.

100 ליטר של מימן גזי בלחץ אטמוספרי רגיל ובטמפרטורת החדר ישקלו רק 10 גרם. לכן יש לאחסן מימן רק בלחץ גבוה או במצב צבירה נוזלי בטמפ' של מינוס 253 מעלות צלסיוס , כאמור אין באוויר מימן חופשי אבל הוא נמצא בכל מקום בעץ , במזון, בנפט ועוד , שריפת מימן מחייבת התרכבות עם חמצן והתוצאה או המוצר של הבעירה הוא/היא מים טהורים.

יצור מימן כרוך בהשקעת אנרגיה גדולה יותר ממה שהמימן ייתן לנו אנרגיה בשריפתו. שיטה פשוטה ליצור מימן היא על ידי יצירת אלקטרוליזה במים בעזרת שתי אלקטרודות , אנודה וקטודה שיזרימו זרם חשמלי במים וכך יווצר מימן סביב האנודה וחמצן סביב הקטודה כך מתפרקות להן המולקולות של המים H2 +O. לתהליך זה דרושה אנרגיה יקרה אלא אם עושים זאת בניצול אנרגיית השמש ליצירת המתח החשמלי הדרוש.

הממברנה PEM של תא הדלק FUEL-CELL הומצאה בשנת 1839 על ידי פיזיקאי בשם ויליאם גרוב שהיה גם רופא כדי להפיק חשמל מהמימן, הפטנט מת יחד עם המדען אלא שחברת DUPONT האמרקאית בשנת 1950 החלה לייצר את הממברנה PEM שוב וזאת כדי לחבר את המימן לחמצן ולייצר חשמל.

ב-NASA מפיקים חשמל לחלליות עם טכנולוגיית תאי הדלק והאסטרונאוטים שתו את המים הטהורים שנפלטו מתאי הדלק.דרך אגב המים הטהורים חסרי המלחים לא טעימים בכלל.

הממברנה מסומנת גם כ-MEA (ממברן-אלקטרוד-אסומבלי) , מתחת לרצפת הרכב מונחת מזוודה השוקלת 80 ק"מ המכילה מאות ממברנות שלא נעות , לא רועשות ולא רועדות , מדובר ב- MILLE-FEUILLES ׁ( על שם של עוגה העשויה מדפים דקים של בצק עלים המזכירה את מבנה תאי הדלק) עם צינוריות להולכת המימן והחמצן (אוויר) המהודקים יחדיו בעזרת ברגים , הדפים הדקים מאוד הן הממברנות המאפשרות ליונים של מימן (הפרוטון) לעבור דרכה ולא לאפשר לחמצן לעשות זאת. הממברנה מצופה בשני צדיה בשכבת פלטינה דקה מאוד המשמש כמזרז קטליטי למשיכת האלקטרונים , מתכת יקרה זו מייקרת את העלות של תאי הדלק , טכנולוגיית הננו תמזער במשך השנים הבאות את העובי של שכבת הפלטינה להוזלת עלות היצור של תאי הדלק , השכבה של הפלטינה כיום היא של 2 מיליגרם לכל סמ"ר של ממברנה והיא כמובן תרד ל-0,2 מיליגרם פלטינה לכל סמ"ר של ממברנה.

שתי אלקטרודות ,אנודה וקטודה אוספות את החשמל שנוצר בתא הדלק. יצור הממברנה הדקה מאוד שהיא פולימר הוא עדיין מאוד מורכב ומאוד יקר

ׁׁ

פלטות דו-קוטביות מכניסות בצד אחד של הממברנה מימן ובצדה השני חמצן . תא דלק אחד מכיל 5 שכבות שהן שתי שכבות פלטינה , ממברנה אחת ושתי פלטות דו-קוטביות שהן מהוות את האלקטרודות המינוס בצד המימן והפלוס בצד החמצן .

כל תא מייצר 1,2 אמפר ומתח של 0,7 וולט , 400 תאי דלק מחוברים בניהם בטור כדי ליצר מתח צלסיוס ישר של 280 וולט, ממיר מתח מותקן ברכב כדי להפוך מתח ישר למתח חילופי להנעת מנוע החשמלי. יצוין כי תא הדלק מייצר חום של 80 מעלות.

מדחס קטן מזרים אוויר ומימן לתוך תא הדלק בלחץ של 1 עד 3 בר כדי לסייע בתהליך זרימת הגזים למפגש הדרוש בניהם.

אורך חיים של תא דלק הוא 2500 שעות עבודה והמגמה להאריך את החיים ל-5000 שעות.

מיכל המימן הנוזלי עשוי מ-40 שכבות אלומיניום היכול לאחסן את המימן הנוזלי בלחץ של350 בר או בלחץ של 750 בר למשך 80 יום , כדי שמיכל מלא של מימן ישתווה למיכל בנזין זהה בנפחו מבחינת אורך הנסיעה (מספר ק"מ/למיכל דלק) יש להכניס מימן גזי בלחץ של 1200 בר דבר הדורש מיכל חזק במיוחד !.

יש לזכור ש-1 ק"ג של מימן גזי תופס נפח של 12000 ליטר בלחץ אטמוספרי , כדי לאחסן 1 ק"ג של מימן גזי למיכל של 34 ליטר יש לדחוס אותו בלחץ של 350 בר , חברות מרצדס וניסאן דוחסות את המימן בלחץ של 700 בר כדי לאחסן 1 ק"מ של מימן במיכל של 15 ליטר ! .

יצוין ש- 1 ק"ג של מימן נוזלי יתפוס נפח של 14 ליטר בלבד אבל בטמפרטורה של מינוס 253 מעלות צלסיוס !.

מבחינת כמות מול תפוקה המימן תופס מקום נפחי במיכל פי שניים מהבנזין , אבל 1 ק"ג של מימן נותן אנרגיה של 3,7 ליטר בנזין (ליטר בנזין שוקל כ-0,66 ק"ג), המגמה של המהנדסים להגדיל את התפוקה של תא דלק המימני שבהמרת 1 ק"ג של מימן יספק אנרגיה של צריכת 7 עד 8 ליטר בנזין.

המסקנה : כדי להגיע לרמה של אטונומיה של מכונית בנזין של 7 ליטר ל-100 ק"מ יש צורך לאחסן מימן בלחץ של 1200 בר.

עם 50 ק"מ של מימן ניתן לנסוע כ-15000 ק"מ שהוא הממוצע השנתי של הקילומטראג' של המנהג הממוצע.

בארה"ב חוזים שבשנות 2015 יהיה מחירו של 1 ק"ג של מימן 1,50 דולר אל מול 0,50 דולר לליטר בנזין.

רכב מימני כיום מגיע למהירות של 140כ- קמ"ש ועם מיכל מלא בגז מימן בלחץ של 350 בר או בלחץ של 750 בר מסוגל לנוע כ-350 ק"מ , התאוצה הממוצעת של הרכב המימני מ-0 עד 100 קמ"ש היא ב-15 שניות.

אני תקווה שמאמר זה על הדלק העתידי של כלי הרכב יעזור לכם להבין את עקרון הפעולה של הרכב המימני.

כותב הספר על המימן מר פייר בהזי היה בעבר מהנדס פיתוח של רנו וכיום הוא מנכ"ל חברת ALPHEA HYDROGENE חברה הבונה את עצמה לעתיד וורוד של הנעת רכב במימן.

דוד ברזילי