由于新型冠状病毒感染传播的扩大，自决定日本东京奥运会延期举办已经有一段时间了。针对这一延期决定，研发出奥运历史上第一支氢燃料火炬的团队百感交集。为了让人们能切身感受到燃烧时不排放二氧化碳的下一代主力能源——氢燃料的存在，研发团队耗费了一年半的时间克服了“冷却”这一特有难题。奥运会组委会本已准备了数十支氢火炬用于圣火传递的部分区间段，现在只能静静等待站在起跑线上的这一天的到来。

氢火炬的结构

希望通过氢火炬改变氢燃料的“固有印象”

日本在使用氢气作为燃料的燃料电池汽车（FCV）和氢燃料电池等领域处于世界领先地位。日本奥运会组委会也有意使此次奥运会成为“下一代日本技术实力的展示会”，因此通过引入氢燃料接驳车等，宣扬日本的氢能技术。然而在日本，对于氢气，人们依然持有“危险”或“会爆炸”的固有印象。“如果能将氢气用于圣火并穿过市区的大街小巷，使人们看到氢安全燃烧的样子，也许能改变日本人对氢燃料的印象”，这正是制作氢火炬的契机。在过去的圣火传递中从未使用过氢燃料，与使用液化石油气作为燃料的普通火炬相比，氢火炬的技术难度更高。

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（图片来自百度）

奥运会组委会于2018年夏季开始具体讨论使用氢火炬，那时距离圣火传递开始已经不到两年了，因此人们对氢火炬的实现持怀疑态度。汽车、煤气以及钢铁制造行业等一批熟悉氢燃料的日本公司组成了氢火炬制作团队，并于同年年底投入具体开发。但是，当实际开始制作火炬后，重重困难迎面而来。

冷却后停止释放氢气

对于该团队来说，最大的难题是“温度”。火炬采取特殊的原理，即氢气被储存在特殊的“储氢合金”中，根据需要被释放出来。但是这种合金的特性是在释放氢气的同时会冷却，随着温度的降低，火炬中内置的合金会停止释放氢气。如果放置不理的话，容器温度最低可达零下10度左右。为了补充释放的氢气量，理论上准备更多的储存合金即可，但由于研发团队力争使氢火炬形状与使用LP气体（液化石油气）的现有火炬相同，因此必须限制火炬内藏的合金量。如何用有限的合金产生稳定的火焰？研发团队考虑了一种通过从外部加热装有合金的容器来防止容器内部压力下降的方法。然而，如此一来带来了另一个新的障碍，即“重量”。为加热容器，在氢火炬的下部内置一个使用锂电池的加热器。然而，如果为了抑制快速冷却而增加电池数量以增加加热器的功率，不仅会受限于火炬内部空间，同时会带来重量的问题。火炬必须足够轻，以便参与传递的初中女学生单手即可举握。现有火炬的总重量约为1.2千克，但研发团队于去年春季制造出的第一支试制品的重量达到约3.4千克，这样的重量可能会影响火炬手之间倾斜火炬以完成圣火传递。

用世界上最好的热传导材料回收火焰的热量

针对以上问题，想出的解决方法是从火炬中回收氢火焰的热量，并将其传递给内置的储氢合金容器。具体而言，是制作一根由易导热材料制成的细棒，其中一端与火焰接触，另一端与火炬内的储氢合金容器接触，从而将火焰的热量导向容器中以对其进行加热，同时其可与锂电池加热器一起使用。

（图片来自百度）

团队最初选用容易导热的“铜”作为细棒的材料。但是，容器的冷却快于火焰的热传递，氢火焰依然无法持续燃烧。即使是金属中导热性能最好的“银”也无法得到令人满意的效果。在使用各种材料进行反复试验和模拟之后，最终选定被称为“石墨”的碳素材料。这种材被广泛用于高尔夫球杆和网球拍框架，参与团队开发的工程师山岸典生解释说：“这是世界上导热性最好的材料”。在火炬内部，沿垂直方向排列了多根细长的石墨棒，连通火焰与储氢合金容器。此外，为了传递更多的热量，对细棒的表面进行了精细的加工，使之与容器的轮廓紧密贴合。如此一来，火焰的热量传递到容器的速度大大增加，使得氢的火焰可以持续燃烧。

参考日本报道原文：http://www.iza.ne.jp/smp/kiji/sports/news/200510/spo20051017580032-s1.html

克服“边燃烧边冷却”的难题：即将登场的氢火炬（上）