2014年01月13日08:54
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“純電動汽車（EV）用起來到底怎麼樣？”
應該有很多讀者都有這種疑問。
EV與汽油車相比運行成本低，不排放破壞環境的有害物質（二氧化碳和氮氧化物），作為汽車的未來形態頻繁成為熱門話題。另外，發生災害時還能當電源使用，所以在東日本大地震后關注度進一步升高。
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| 純電動汽車的開發日益活躍。照片是日產汽車的純電動汽車“日產LEAF”的特款車“Aero Style”。將於2014年1月上市。日產LEAF截至2013年10月在日本已累計售出3萬輛。 |
但如果被人問“想買嗎？”，則很難點頭。目前在街上EV也確實還不多見。
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航距離太短。例如，2013年8月日產汽車官網上記載的EV“LEAF”（中國名：聆風）的官方續航距離（JC08模式）為228km。比過去大幅延長，理想的情況下能在東京-宇都宮間往返。
另外，還存在充電基礎設施的問題。電池沒電了怎麼辦？而且使用期間充電電池還會劣化。不消除這些擔憂，EV就難以普及。
筆者前不久碰巧乘坐了一次EV出租車。慶幸之余，筆者問出租車司機，“純電動汽車怎麼樣啊？”。“啊，冷天電池消耗尤其快。暖氣好像很費電”。
這個回答有點令筆者意外。EV提高燃效的關鍵在於暖氣。自19世紀后半期發明汽車后，100多年來一直是通過發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EV時代，“熱”則變得非常寶貴。筆者重新認識了這一點。
隨著EV時代的到來，有一項技術被重點提出。那就是蓄熱技術。雖然作為驅動源的充電電池也發熱，但與發動機的發熱相比並不大。現在車內暖氣使用的發動機余熱的喪失，意味著冬天提高EV續航距離需要其他的新熱源。實現這一點的要素技術之一就是蓄熱技術。
行業的目標值是1000kJ/kg
冬天為了使車內保持一定的溫度，EV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℃，其溫差也隻有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給予了熱切關注。
如果能開發出具備高蓄熱特性的新技術，其涉及的應用領域不僅僅是EV。以家庭和辦公室等使用夜間電力的冷暖氣系統為首，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”。
為將來用於EV，作為汽車相關行業研發目標之一的蓄熱密度為低溫區（0∼100℃）“1000kJ/kg”。當然，使用大量蓄熱材料（介質）就能大量蓄熱，但配備於汽車的話，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，這並不是能立即實現的值，“1000”這個數字只是目前的挑戰目標。
那麼，這個數值究竟是什麼水平呢？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約為340∼400kJ/kg。由此可知，實現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，就有望用於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。
實現目標的兩條路
通過輕鬆局部蓄熱，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，有望大幅節電，而且有助於耗電量的平均化。利用夜間電力制冰或燒水，用於白天的冷氣和暖氣的技術已經實現實用化。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2成。
工業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，從液體變為固體，或從固體變為液體時，能存儲或釋放熱能的物質。
例如，把滿滿一桶水放在零下30℃的溫度下，水會逐漸結冰。但在完全凍住之前，桶中的水溫為0℃。也就是說，水會持續釋放0℃的熱能。反之，把滿滿一桶冰放在零上30℃的溫度下，在冰完全融化之前，桶內的水溫也保持在0℃。水處於持續吸熱（蓄熱）的狀態。
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，已用於制冷劑、冰枕、蓄冷裝置等。
那麼，蓄熱密度為1000kJ/kg的蓄熱技術能否實現？業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出能實現實用化的技術。。
實現1000kJ/kg的蓄熱密度有兩條路可走。一是利用現有蓄熱材料，進一步提高其蓄熱特性。二是開發新的蓄熱材料。
關於前者，即提高現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（Fraunhofer Institute）正與德國ZeoSys公司共同開發組合使用沸石和水的蓄熱技術。現在主要設想把發電設施排放的熱作為水存儲在水罐中的用途。與隻使用水相比，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隻使用水時的1/4左右。
沸石是擁有巨大表面積的多孔性礦石。1g沸石顆粒的表面積達到1000m2。沸石顆粒利用巨大的表面積強力吸附水蒸氣。水蒸氣通過物化反應變成水時失去的熱移動到了沸石中，而沸石的溫度不會像隻使用水時那樣上升。由此，應該容易長時間蓄熱。
雖然基本原理以前就廣為人知，但並沒有實際作為蓄熱技術應用的例子。研究團隊最初利用1.5L（升）和15L容器驗証了蓄熱工藝的可能性。現在正以750L的規模實施削減成本的實驗。該技術能長時間保存能量，經過幾千次循環也沒發現劣化，而且不排放有害物質，這些優點被寄予厚望。
大公司與風險公司魚龍混雜的開發競爭
除此之外，還有很多研究機構從同樣的觀點出發，正在開發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有蓄熱材料的改進難以大幅改善特性。要想取得根本性突破，提高蓄熱材料本身的性能才是捷徑。如果能開發出特性大幅超過現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，作為研究開發趨勢，新蓄熱材料的研究日益興起。
例如，不利用此前主流的潛熱蓄熱材料型蓄熱技術，而是利用化學反應的發熱和吸熱的“化學反應型”方式。
化學反應型蓄熱利用伴隨發熱和吸熱的可逆化學反應。蓄熱利用吸熱反應，散熱利用發熱反應。優點是，蓄熱密度大，能以一定的溫度發熱，而且分離反應物質的話還易於保管。
我們身邊的物質中，具有代表性的例子是在運動場上畫線時使用的水氧化鈣（熟石灰）。為水氧化鈣加熱的話，會產生氧化鈣（生石灰）和水。反之，在氧化鈣中加水，會發熱生成水氧化鈣。這種化學性吸熱和發熱反應有望用於蓄熱。
氧化鈣也是用作食品干燥劑的常見物質。這種干燥劑加入水分后會迅速發熱，因此干燥劑上都有“請勿沾水”的提醒。干燥劑是把氧化鈣和水分離后密封的，有時還用來給便當和罐裝日本酒加熱。氧化鈣與水的反應熱為1500kJ/kg。很多觀點認為，如果靈活控制反應的機制能實現實用化，將成為重大突破。
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，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。
無論採用哪種方式，總之目前正在積極推進尚未確立的技術的研究開發。對全球技術趨勢非常敏感的歐美風險企業也在自主推進研究開發，不難想象，圍繞蓄熱技術將展開激烈的技術競爭。
在不久的將來，如果現在正在進行中的研究開發取得成功，就能減少EV續航距離因暖氣和冷氣問題而大幅縮短的擔心。蓄熱技術不但是促進EV普及的一大契機，還將成為與蓄電技術聯動解決能源問題的核心技術。（作者：星野 達也, 日經技術在線！供稿）
