氢动力取代石油成为机动车的主要能源存在哪些障碍?

时间:2022-07-11 10:16:12   作者:
这张图表描绘了常见的便携式能源的能量密度。x轴是能量密度除以质量,单位是兆焦耳每千克。正如图表所示,氢气,无论是低压的、高压的还是液态的,几乎都无法被这个标准打败。

氢动力取代石油成为机动车的主要能源存在哪些障碍

然而,Y轴也很重要;能量密度除以体积。氢是非常轻的,是已知宇宙中最轻的化合物,所以它在很轻的重量中包含了很多能量。但是,因为它很轻,它的热力学能量也很高;简单地说,氢原子不想坐着不动。H2气体的蒸汽压力非常高,这种气体的沸点非常非常低,只有1ATM(仅比绝对零度高20度左右),需要数十或数百兆帕斯卡(每平方英寸数千至数万磅)的压力才能在地球环境温度下可靠地保持液态。即使是液体,从单位体积质量的角度来看密度也没有那么大。

所有这些基本上意味着乘用车的油箱要大得多,以平衡满箱汽油的能源容量。增加油箱的体积必然需要增加装有该油箱的汽车的体积,这就增加了重量和阻力从而减少了燃料的里程数,所以即使油箱更大,每油箱行驶的里程数也不会增加因为每升体积行驶的里程数会减少。这是一种微妙的平衡,几十年来设计师们一直在回避这个问题。

还有安全问题。正如我们所知,汽油是相当易燃的,加油站有各种各样的安全装置来防止泄漏,并隔离任何可能从泵下的燃料-空气炸弹爆发的小火灾。然而,汽油无法与氢气爆炸的容易程度相比。它在空气中燃烧时的浓度在5%到75%之间,除了这个范围的极端情况,燃烧的速度非常快,你可以称之为爆炸。任何泄漏都是严重的火灾/爆炸危险,而氢气,因为太小,喜欢泄漏;它很容易在分子水平上穿透大多数屏障材料,简单地穿过罐壁的结构(有没有注意到氦气球只能维持几天?双原子氢的行为类似)。此外,由于它必须在高压下储存、运输和交付,以获得任何可用的能量密度,与汽油或柴油不同,燃料喷嘴和汽车油箱之间的密封必须是气密的,高达700倍大气压(高达10,000 psi;大多数高压气体的输送钢瓶的压力都在6000psi左右,你需要培训和许可才能在日常工作中使用这些钢瓶,尤其是当里面的气体是易燃的时候)。

油箱本身也必须处于良好的状态,但这并不能保证,因为我们倾向于把油箱和燃油管放在车的底部,在那里各种各样的东西会被踢起来,冲击油箱。对于1ATM的厚钢汽油罐来说不是什么大问题;一个更大的问题是用纤维包裹的钢制容器每平方英寸储存数千磅的高压易燃气体。高压储罐必须定期进行水压试验;对于水肺和丙烷罐,你基本上要把它灌到额定压力,然后把它放在水浴中,寻找气泡。如果坦克是永久性安装在汽车上,那就有点难了,而且每3年就得安装一次。问题在于,根据美国现行法律,纤维包裹的水箱(优先考虑重量和失效行为;即使储罐外壳发生了灾难性的失败,这种高强度纤维包裹也不太可能在制造15年后失效,即使它仍然通过了气泡测试。计划报废怎么样?

还需要考虑碰撞;在追尾碰撞中,燃料箱可能会剧烈破裂,释放出一团非常易燃的物质到混乱的环境中,有氧气、火花和多余的热量。目前每天发生的可能需要一个人去看脊椎按摩师的意外事件,对于距离超压波大约20码内的任何人来说都是致命的灾难,更远的人仍然可能被烧伤,听力受损,被向后扔,被弹片击中,等等。汽油爆炸,尽管你在电视、电影和视频游戏中看到过,但在日常生活中发生的几率非常小。氢会抓住每一个机会。
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