טכנולוגיית מדחסי טורבו בתאי דלק

מוני ברק ומידד פלג, מדיטל קומוטק

תא דלק הינו מערכת שנועדה לספק זרם חשמלי על ידי המרת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. החשמל נוצר על ידי ריאקציה בין דלק וחומר מחמצן. שלא כמו סוללה, תא הדלק (איור 1) מקבל את החומרים הכימיים מבחוץ, וכל עוד תימשך אספקתם התא ימשיך לייצר חשמל. שיטה זו מאפשרת לתא הדלק להוות תחליף למנוע מסוג בעירה פנימית ומיכל הדלק שלו. אופן הפעולה העיקרי של תא הדלק הוא שימוש בחומר דלק (מימן, כוהל וכדומה) וחומר מחמצן (חמצן, כלור וכדומה). האינטרקציה בין החומרים גורמת להתכלות הדלק והמחמצן, היווצרות מים או דו-תחמוצת הפחמן וחשמל. בתא דלק מימני, הדלק הוא מימן, המחמצן הוא חמצן (או אוויר) ותוצר הלוואי הוא מים.

תא דלק מסוג PEM
סוג אחד של תא דלק הוא תא
דלק עם ממברנת החלפת פרוטונים
(PEM – Proton Exchange Membrane), (איור 2). סוג זה של תא דלק משתמש במימן כדלק ובחמצן כמחמצן. תא דלק יחיד מורכב מאנודה, ממברנה אלקטרוליטית וקטודה. זרם של מולקולות מימן מוזרם אל האנודה. האנודה מפרידה בין הפרוטונים והאלקטרונים. האלקטרונים מוסעים למעגל עומס חיצוני וכך יוצרים את הזרם החשמלי במוצא תא הדלק. באותו הזמן הפרוטונים ממשיכים דרך הממברנה האלקטרוליטית לקטודה ובקטודה מגיבות מולקולות החמצן עם הפרוטונים ויוצרות מולקולות מים.
תאי דלק מסוג PEM משמשים במערכות ייצור אנרגיה ניידות ומבוזרות כגון: מכוניות, מטוסים, אוטובוסים עירוניים, תחנות כוח, מערכות אספקת אנרגיה בחירום ועוד. כל היישומים הללו דורשים יעילות אנרגטית גבוהה בנפח קטן. ישנן מספר דרכים מגוונות להשיג דרישות אלו, כאשר אחת מהן היא ניהול מיטבי של זרימת האויר אל ובתוך תא הדלק. דבר זה מתאפשר באמצעות מדחסי טורבו בעלי מהירות גבוהה ביותר (400,000rpm).

בקרת לחץ בתא דלק
האתגרים העומדים בפני המדחס בהיבט של בקרת לחץ הם:
אספקת אויר: מערכת ניהול האויר צריכה לספק זרימה מספקת של אויר, כדי לשמור על כמות חמצן הגבוהה מדרישות תא הדלק. זרימת אוויר לא מספקת, עלולה, במקרים חמורים, אף לגרום נזק לתא הדלק. האוויר בדרך כלל מסופק על ידי מדחס אוויר או מפוח, ולכן נדרשת יכולת בקרה מיטבית על פעולת המדחס.
ניקיון האויר: כל חלקיק או חומר כימי, כגון פחמן חד חמצני יכול להזיק למרכיבי תא הדלק כגון המממברנה. לכן, האוויר צריך להיות מסונן לפני שהוא נכנס לתא הדלק. משמעות הדבר היא שהמדחס באופן אידיאלי צריך להיות oil-free.
ויסות לחץ אויר: האוויר המסופק לתא הדלק הוא בדרך כלל בלחץ מעט גבוה מהלחץ האטמוספרי (2.5bar) בהתאם לדרישת תא הדלק. לחץ אוויר גבוה יותר מרמז על תא דלק קומפקטי יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר בהשוואה לתאי דלק בלחץ נמוך בהם יותר הפסדי כח פרזיטים מיוצרים על ידי מדחס האוויר.
לחות האויר: הממברנה הפולימרית צריכה להישמר במצב יבש כל הזמן וזאת כדי לשמר תנאי עבודה אופטימאליים. תת המערכת לניהול האויר בדר”כ כוללת תת מכלול לבקרת לחות כדי לקיים צורך זה.
מדחס האוויר, המרכיב המרכזי של מערכת ניהול האוויר, הוא למעשה הרכיב בעל צריכת החשמל הגדולה ביותר במערכת תא דלק. צריכת הלוואי של המדחס יכולה להוות עד 20% מהכוח שנוצר בתא הדלק. יעילות המדחס, שמכיל מנוע, ממיר מתח ובקר (שתלוי בסוג המדחס, רמת לחץ ומהירות). בכל מקרה, על המדחס להיות יעיל ככל האפשר.

מדחסי טורבו
במערכות תא דלק עם מדחסי טורבו במהירות גבוהה קיימים יתרונות בהשוואה לטכנולוגיות מדחס אחרות. מדחס שפועל בטכנולוגיה צנטריפוגלית הינו בעל יתרונות בולטים הנוגעים לקומפקטיות, פעולה שקטה ויעילות גבוהה והופכים אותו למתאים יותר ליישומי רכב על פני טכנולוגיות מדחס אחרות. נראה כי סוג מדחסים זה הוא המתאים ביותר לדרישות תעשיית הרכב. היתרון של מהירות סיבוב גבוהה מתבטא בהקטנת רדיוס הגלגל המניע במדחס ובהתאם לכך עלייה בצפיפות ההספק. לסיכום, מדחס צנטריפוגלי (איור 3) מציג יתרונות, במיוחד עבור יישומי תא דלק לרכב.

אתגרים במדחס צנטריפוגלי
במדחס צנטריפוגלי עדיין יש לפתור בעיות שקיימות בבקרת הלחץ ונחשולי מתח. יתרה על כך, בעת פיתוח הבקר יש להתחשב גם במאפייני תא הדלק ודרישות עומס משתנות. לכן, יש צורך בטכנולוגיות בקרה חדשניות כדי להתמודד עם בעיות הבקרה השונות על מנת לספק את הדרישות מהמדחס ומתא הדלק. למעשה, שיטות בקרה רבות הוצעו לאחרונה כדי להתמודד עם הבעיה של ניהול האוויר של מערכות תא דלק. חברת Celeroton מציעה מדחסי טורבו במהירות גבוהה. מדחסים אלו נשלטים באמצעות בקר מסוג (Dynamic Decoupling Controller). בקר זה בניגוד לבקרים אחרים סטנדרטיים, מאפשר שמירה על לחץ קבוע בספיקות משתנות. יכולת זו של המערכת נבדקה ואומתה במספר ניסויים שונים.
חברת Celeroton מביאה לשוק מדחסים קטנים וקלים משמעותית לעומת הפתרונות המוצעים כיום בשוק. זה בא לידי ביטוי במיוחד בדגם ה-CT-15-150 שיכולותיו ניתנות להשגה רק באמצעות מכונות טורבו גדולות מימדים. המדחס CT-15-150 הינו בעל הספק של 150W, מהירות של 400,000rpm, יחס לחץ מקסימאלי של 1.5bar, ספיקה של 5g/s וכל זאת במשקל זעום של 110 גרם. איור 4 מציג מדחסי טורבו של חברת Celeroton (ודגם CT-15-150 במיוחד) לעומת מוצרים אחרים הקיימים בשוק.

שאיפות לעתיד
תעשיות תאי דלק שואפות לשפר את יעילות וצפיפות הפקת האנרגיה בתאי הדלק הקיימים לרמה של 1W/cm2 ולקיים את מפת הדרכים שהוצגה על ידי משרד אנרגיה האמריקאי (DOE) (2020: אורך חיים 5,000 שעות, עלות מערך תאי דלק תהיה
כ-/כ”ס ל-500,000 כלי רכב). שאיפה זו תתאפשר על ידי חדשנות בעיצוב ובחומרים הודות לחדשנות בטכנולוגיית ייצור ויכולות מזעור. אתגר גדול נוסף הוא בייצור המימן. היום, יותר מ-95% מהמימן מיוצרים באנרגיות ממקורות מאובנים (גז, בנזין ופחם). על מנת למנוע את זיהום האוויר הנגרם מאופן ייצור זה, יש להשתמש במקורות מימן אחרים, כגון, מקורות אנרגיה מתחדשים או, במידת צורך, תהליכים גרעיניים מהדור הבא וזאת כדי לייצר מימן על מנת לספק מערכות תא דלק.
כתבה זו הוכנה ע”י מוני ברק מהנדס טכנולוגיות ויישומים ומידד פלג מהנדס יישומים ומכירות מחברת מדיטל קומוטק שהינה נציגה של חברת Celeroton שוויץ בישראל ועוסקת במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי-טק בישראל.