מכונית מימן ? חשמל מאנרגיית השמש תייצר לנו מימן.... והמימן יתן שוב חשמל וגם מים.....

[barzelay]

מכונית מונעת מימן היא, למעשה מכונית חשמלית עם גנראטור המייצר חשמל שמפעיל מנוע חשמלי להסעת הרכב כך שניתן לצאת איתה לפיקניק ולחבר לה מיקרוגל, מקרר ועוד . באופן פראדוקסאלי, טויוטה פריוס ההיברידית היא שגרמה לרב שיח בעולם על המימן כדלק לכלי רכב במקום דלק שמקורו מנפט גולמי וזאת לאחר שנמכרו עד כה יותר מ-1700 אלף מכוניות מדגם זה. חברת רנו התחילה לייצר מכוניות היברידיות החל בשנת 2009 והמנועים הופעלו על ידי ביו-דלק, כלומר דלק המופק ממקור צמחי.

 

המימן הוא האטום הזעיר ביותר ביקום וסימונו H2 . המימן מכיל פרוטון אחד ואלקטרון אחד. אם מכניסים מימן לתוך בקבוק פקוק, הוא 'יברח' דרך סריג הזכוכית בקלות רבה. המימן אינו מצוי בטבע באופן חופשי אלא תמיד בתרכובת כגון במים . שריפת מימן ביחס לבנזין באותו משקל תספק פי 3 יותר אנרגיה מהבנזין. המים כידוע עשויים משני אטומים של מימן ואטום אחד של חמצן H20 .

100 ליטר של מים מכילים 116 גרם של מימן. 100 ליטר של מימן גזי בלחץ אטמוספרי רגיל ובטמפרטורת החדר משקלם הוא 10 גרם בלבד. לכן יש לאחסן מימן רק בלחץ גבוה או במצב צבירה נוזלי, בטמפרטורה של מינוס 253 מעלות צלסיוס. כאמור, אין באוויר מימן חופשי אבל הוא נמצא בכל מקום בטבע. שריפת מימן מחייבת חמצן והתוצאה של הבעירה היא מים טהורים.

 

ייצור מימן כרוך בהשקעת אנרגיה גדולה יותר מהאנרגיה שהמימן ייתן בשריפתו. שיטה פשוטה לייצור מימן היא על ידי יצירת אלקטרוליזה במים בעזרת שתי אלקטרודות, אנודה וקתודה, שיזרימו זרם חשמלי במים. כך ייווצרו מימן סביב האנודה וחמצן סביב הקתודה ופרודות המים יתפרקו. לתהליך זה דרושה אנרגיה יקרה אלא אם עושים זאת ע"י ניצול של אנרגיית השמש.

הממברנה proton exchange membrane PEMשל תא –הדלק FUEL-CELL הומצאה בשנת 1839 על ידי פיזיקאי בשם ויליאם גרוב, שהיה גם רופא. מטרתו הייתה להפיק חשמל מהמימן. אולם הפטנט נשכח עם מות המדען. הנושא ניעור מחדש כאשר חברת DUPONT החלה לייצר, בשנת 1950, את הממברנה PEM כדי לחבר את המימן לחמצן ולייצר חשמל.

ב-NASA (סוכנות החלל האמריקנית) מפיקים חשמל לחלליות בטכנולוגיית תאי הדלק והאסטרונאוטים שותים את המים הטהורים שנפלטים מתאים אלה. דרך אגב, המים הטהורים חסרי המלחים אינם טעימים כלל.

הממברנה מסומנת גם כ-MEA ממברן-אלקטרוד-אסמבלי. במכונית המופעלת במימן, מתחת לרצפתה, מותקנת מזוודה שמשקלה 80 ק"מ ומכילה מאות ממברנות שאינן נעות , אינן רועשות ואינן רועדות . מדובר במיתקן הקרוי -MILLE-FEUILLES ׁ(שם של עוגה העשויה דפים דקים של בצק עלים) שבו צינוריות המהודקות יחדיו בעזרת ברגים. הדפים הדקים הם הממברנות המאפשרות ליונים של מימן (הפרוטון) לעבור דרכן אך לא מאפשרות לחמצן לעשות זאת. הממברנה מצופה בשני צידיה בשכבת פלטינה דקה מאוד המשמשת כזרז קטליטי. מתכת יקרה זו מייקרת את העלות של תאי הדלק. אולם הננו- טכנולוגיה תמזער, בשנים הבאות, את העובי של שכבת הפלטינה וכך תוזיל את עלות הייצור של תאי הדלק. השכבה של הפלטינה כיום היא בת 2 מיליגרם לכל סמ"ר של ממברנה והיא כמובן תרד בעתיד ל-0,2 מיליגרם פלטינה לכל סמ"ר של ממברנה.

שתי אלקטרודות, אנודה וקתודה, 'אוספות' את החשמל שנוצר בתא הדלק. אולם ייצור הממברנה הדקה מאוד, שהיא פולימר, הוא עדיין מאוד מורכב ומאוד יקר.

פלטות דו-קוטביות מכניסות מימן בצד אחד של הממברנה ובצידה השני חמצן . תא דלק אחד מכיל 5 שכבות שהן שתי שכבות פלטינה, ממברנה אחת ושתי פלטות דו-קוטביות המהוות את אלקטרודות ה'מינוס' בצד המימן וה'פלוס' בצד החמצן. כל תא מייצר 1,2 אמפר ומתח של 0,7 וולט. 400 תאי דלק מחוברים ביניהם בטור כדי ליצר מתח צלסיוס ישר של 280 וולט. ממיר מתח מותקן ברכב כדי להפוך מתח ישר למתח חילופי להנעת המנוע החשמלי. יצוין, כי תא הדלק מייצר חום של 80 מעלות לכן דרשה מערכת קירור גם בכלי רכב אלה.

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

אורך חיים של תא דלק הוא 2,500 שעות עבודה והמגמה היא להאריך את החיים ל-5,000 שעות , מכל המימן הנוזלי עשוי מ-40 שכבות אלומיניום היכול לאחסן את המימן הנוזלי בלחץ של 350 בר ובקרוב גם בלחץ של 750 בר, למשך 80 יום. כדי שמכל מלא של מימן ישתווה למכל בנזין זהה בנפחו, מבחינת טווח הנסיעה, יש להכניס מימן גזי בלחץ של 1,200 בר.

יש לזכור ש-1 ק"ג של מימן גזי תופס נפח של 12,000 ליטר בלחץ אטמוספרי. כדי לאחסן 1 ק"ג של מימן גזי למכל של 34 ליטר יש לדחוס אותו בלחץ של 350 בר. חברות מרצדס וניסאן דוחסות את המימן בלחץ של 700 בר כדי לאחסן 1 ק"ג של מימן במכל של 15 ליטר . יצוין ש- 1 ק"ג של מימן נוזלי יתפוס נפח של 14 ליטר בלבד אבל בתנאי שהוא בטמפרטורה של מינוס 253 מעלות צלסיוס.

מבחינת כמות מול תפוקה, המימן תופס מקום במכל פי שניים מהבנזין , אבל 1 ק"ג של מימן נותן אנרגיה של 3,7 ליטר בנזין. המגמה של המהנדסים היא להגדיל את התפוקה של תא הדלק המימני כך שבהמרת 1 ק"ג של מימן תסופק אנרגיה השקולה לצריכת 7 עד 8 ליטר בנזין. כדי להגיע לרמה של תנועה של מכונית בנזין של 7 ליטר ל-100 ק"מ, יש צורך לאחסן מימן בלחץ של 1,200 בעם 50 ק"ג של מימן ניתן לנסוע כ-15,000 ק"מ שהוא הקילומטראז' הממוצע השנתי של הנהג הרגיל. בארה"ב צופים שבשנת 2019 יהיה מחירו של 1 ק"ג מימן 1,50 דולר מול 0,50 דולר לליטר בנזין.

רכב מימני כיום מגיע למהירות של 160 קמ"ש ועם מכל מלא בגז מימן, בלחץ של 350 בר או בלחץ של 750 בר, הוא מסוגל לנוע כ-350 ק"מ. התאוצה הממוצעת של הרכב המימני מ-0 עד 100 קמ"ש היא 15 שניות.

[shha]

מה לגבי בטיחות? אני מניח שקיימת בעיית בטיחות באחסון מימן בלחץ גבוה בתוך מכונית נוסעת.