車企關注蓄熱技術:讓電動汽車跑得更遠

盡管純電動汽車的開發(fā)日益活躍，但如果被人問“想買嗎?”，則很難點頭。消費者猶豫要不要買的主要原因應該是充電一次可行駛的續(xù)航距離太短。不消除這些擔憂，電動汽車就難以普及。

面對這個問題，有一項技術被重點提出，那就是蓄熱技術。自19世紀后半期發(fā)明汽車后，100多年來一直是通過發(fā)動機這一內燃機構燃燒燃料，把燃燒獲得的能量轉換成動力來驅動汽車。為了不讓發(fā)動機過熱，會邊通過冷卻裝置冷卻邊行駛，因此我們一直含糊地認為“熱”是個障礙。但在電動汽車時代，“熱”則變得非常寶貴。

技術目標1千千焦

作為驅動源的充電電池也發(fā)熱，但與發(fā)動機的發(fā)熱相比并不大?，F(xiàn)在車內暖氣使用的發(fā)動機余熱的喪失，意味著冬天提高電動汽車續(xù)航距離需要其他的新熱源。

冬天為了使車內保持一定的溫度，電動汽車的用電量容易增大。因為外部空氣與車內的溫差有可能比夏天還大。例如，室外溫度零下時，要想使車內溫度保持在20℃左右，溫差就超過了20℃。當然，夏天的冷氣也消耗電力，但假如在室外溫度為35℃時把車內溫度設定為25℃，其溫差也只有10℃。為了冬天不過度消耗充電電池中存儲的電力，確保新的熱源也是純電動汽車不可或缺的重要技術。因此，眾多汽車廠商對新蓄熱技術的出現(xiàn)給予了熱切關注。

如果能開發(fā)出具備高蓄熱特性的新技術，其涉及的應用領域不僅僅是電動汽車。以家庭和辦公室等使用夜間電力的冷暖氣系統(tǒng)為首，有望廣泛用作社會整體的能源對策。

表示蓄熱技術特性的指標之一是蓄熱密度，是指1kg材料能存儲多少熱量，單位為“kJ/kg”(千焦/公斤)。

為將來用于電動汽車，作為汽車相關行業(yè)研發(fā)目標之一的蓄熱密度為低溫區(qū)(0℃—100℃)“1000kJ/kg”。當然，使用大量蓄熱材料(介質)就能大量蓄熱，但配備于汽車的話，最好能以盡量小的重量和體積大量蓄熱。因此，作為未來目標，提出了1000kJ/kg的目標值。當然，這并不是能立即實現(xiàn)的值，“1000”這個數字只是目前的挑戰(zhàn)目標。

那么，這個數值究竟是什么水平呢?以最常見的蓄熱材料(介質)“水(H2O)”為例，我們在小學的自然科學課上學習過，“世界上升降溫最慢的物質就是水”。實際上，無論是冬天使用的“熱水袋”，還是利用夜間電力的“冰蓄冷”，都利用了水作為蓄熱材料的效果。水的蓄熱密度在低溫區(qū)約為340—400kJ/kg。由此可知，實現(xiàn)1000kJ/kg需要使用蓄熱密度約為水的3倍的材料。

能以較輕的重量存儲大熱能的作用非常大。這與充電電池同理。如果能在較輕的重量中高效蓄熱，就有望用于有重量限制的汽車和飛機等。從身邊的例子來看，有停電后仍可使用的冰箱、保暖性出色的住宅、能長久保溫的暖瓶以及帶制冷劑的飯盒等，應用范圍非常廣。

兩方式實現(xiàn)熱能存蓄

通過輕松局部蓄熱，例如組合使用家用空調和蓄熱材料，利用夜間電力蓄熱的話，有望大幅節(jié)電，而且有助于耗電量的平均化。利用夜間電力制冰或燒水，用于白天的冷氣和暖氣的技術已經實現(xiàn)實用化。據估算，如果熱泵蓄熱中心利用夜間蓄熱，能把白天的最大用電量削減兩成。

工業(yè)用途的蓄熱材料大多利用潛熱蓄熱材料。潛熱蓄熱材料是指，從液體變?yōu)楣腆w，或從固體變?yōu)橐后w時，能存儲或釋放熱能的物質。已經實用化的潛熱蓄熱材料除了水以外還有很多。例如，氯化鈣水和物、硫酸鈉水和物、醋酸鈉水和物等無機水和物，以及石蠟等有機物化合物。不過，蓄熱密度都跟水差不多。從身邊的例子來看，已用于制冷劑、冰枕、蓄冷裝置等。

那么，蓄熱密度為1000kJ/kg的蓄熱技術能否實現(xiàn)?業(yè)界以前就設想過熱量短缺的情況，雖然很多研究機構早就自行展開了研究，但直到目前好像還都沒開發(fā)出能實現(xiàn)實用化的技術。

實現(xiàn)1000kJ/kg的蓄熱密度有兩條路可走。一是利用現(xiàn)有蓄熱材料，進一步提高其蓄熱特性。二是開發(fā)新的蓄熱材料。

關于前者，即提高現(xiàn)有蓄熱材料特性的方法，目前正在進行多方面的研究。

例如，德國研究機構弗勞恩霍夫研究所正與德國ZeoSys公司共同開發(fā)組合使用沸石和水的蓄熱技術?，F(xiàn)在主要設想把發(fā)電設施排放的熱作為水存儲在水罐中的用途。與只使用水相比，利用沸石能存儲3—4倍的熱。這意味著蓄熱容器的尺寸能削減至只使用水時的1/4左右。

不過，雖然基本原理以前就廣為人知，但并沒有實際作為蓄熱技術應用的例子。研究團隊最初利用1.5升和15L容器驗證了蓄熱工藝的可能性?，F(xiàn)在正以750L的規(guī)模實施削減成本的實驗。該技術能長時間保存能量，經過幾千次循環(huán)也沒發(fā)現(xiàn)劣化，而且不排放有害物質，這些優(yōu)點被寄予厚望。

歐美日競相逐“熱”

除此之外，還有很多研究機構從同樣的觀點出發(fā)，正在開發(fā)利用納米技術把蓄熱材料加工成微細顆粒物的技術，以及使之附著在具備微孔的材料上的技術等。

另外，也有觀點認為光憑現(xiàn)有蓄熱材料的改進難以大幅改善特性。但要想取得根本性突破，提高蓄熱材料本身的性能才是捷徑。如果能開發(fā)出特性大幅超過現(xiàn)有蓄熱材料的新材料，就有望一舉降低蓄熱技術整體的成本。因此，作為研究開發(fā)趨勢，新蓄熱材料的研究日益興起。

另外，東京大學與美國麻省理工學院(MIT)的共同研究團隊還積極展開了材料開發(fā)，比如利用分子動力學模擬來設計蓄熱材料等。此外，最近1—2年，與熱傳導的重要要素“聲子”有關的研究(稱為聲子學的研究領域)突然活躍起來。除蓄熱外還包括隔熱和散熱的熱管理相關研究也日漸興起。這些研究中或許會誕生超越以往技術的蓄熱技術。

無論采用哪種方式，總之目前正在積極推進尚未確立的技術的研究開發(fā)。對全球技術趨勢非常敏感的歐美風險企業(yè)也在自主推進研究開發(fā)，不難想象，圍繞蓄熱技術將展開激烈的技術競爭。