CN1689185A - 用于车辆推进的金属－空气转化器充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种向电动车的电动机(16)提供能量的能量供应系统包括：与电动机(16)连接、用于驱动电动机(16)的金属－空气转化器(12)，和与金属－空气转化器(12)连接、用于给金属－空气转化器(12)充电的发电机(10)。发电机(10)也可同时直接向电动机(16)和金属－空气转化器(12)提供电力。系统还包括向发电机(10)提供燃料供给的结构，所述发电机依次将燃料转化成电力。

Description

用于车辆推进的金属-空气转化器充电系统及方法
相关申请
本申请要求以2002年8月8日提出的编号为60/402,447的美国临时专利申请为优先权，其发明名称为“用于车辆推进的燃料电池金属-空气转化器”，在此其相关内容将作为参考。
技术领域
本申请总体上涉及车辆推进系统领域。特别地，本发明涉及一种包括与电池结合的车载能量源的电动车推进系统。
背景技术
考虑到周围传统能量源的持续发展，研究可替代的能量形式变得越来越重要。特别是，基于能量系统的与燃烧排放相关的环境和政治问题不能被忽视。因此，在努力尝试减小对这些类型的能量源和方法的依赖的过程中，焦点可能就集中在能通过消耗丰富的或可再生的、低排放或零排放的燃料供给产生电能的装置。
内燃机提供能量的车辆的替代方案中已经包括各种形式的电池提供能量的电动车。电池一般用作电能源。电池包括通常称作阳极的负电极和通常称作阴极的正电极。阳极包含能被氧化的活性物质；阴极包含或者说消耗能被还原的活性物质。阳极的活性物质具有还原阴极活性物质的能力。为了防止阳极物质和阴极物质的直接作用，阳极和阴极被电隔离，通过隔板彼此分隔。
当电池在装置中被用作电能源时，例如车辆，在阳极和阴极之间要制造电接触，为了提供电能，允许电子在该装置中流通，允许各自发生氧化反应和还原反应。与阳极和阴极接触的电解液包含在电极之间穿过隔板流动的离子，以便在放电过程中保持整个电池内的电荷平衡。
但是，大多数已知的电池提供能量的车辆都伴随着一个问题：持续的充电需要，因为在单个充电过程中电池只能容纳有限的能量。在本领域的现有技术中，对电池充电要求车辆处于不工作状态。目前的充电方法要求车辆处于停止状态，而且费时冗长，特别是因为必须经常进行充电操作。
因此，燃料电池作为为电动车提供能量、减少从车外源对车辆充电的持续需要的装置被研制。燃料电池通过电气化学作用低排放或者零排放地将碳氢化合物或者氢转化成电力。因为它们结构紧凑、高功效、低污染，所以燃料电池在车辆运输的应用方面具有几个优势。因此，燃料电池似乎越来越适合车辆应用。
但是已知的燃料电池系统伴随着缺点：在应用中燃料电池的额定功率必须满足推进要求，这使得它们在经济上不可行。例如，在机动车应用中，燃料电池系统被设计成提供充足的动力以满足车辆巡航的要求，不考虑峰值电涌，这使得燃料电池系统的价格非常昂贵。尽管各种已知的系统已经尝试充分利用通过指定电涌电池来满足机动车应用中峰值要求的优势，但是没有一个能令人满意地克服车载集成化的尺寸限制问题。
发明内容
本发明提供用于为车辆提供能量的混合车辆推进系统。系统包括与车辆的电动机连接的金属-空气转化器，该电动机用于推进车辆。金属-空气转化器产生电力用来驱动电动机，其通过使金属，例如锌，和空气发生反应产生金属氧化物，释放电子从而产生电力。车载发电机与金属-空气转化器连接，用于给金属-空气转化器充电。系统还包括为发电机供给燃料的结构，所述发电机依次将燃料转化成电力。
混合动力车推进系统与传统燃烧发动机相比具有一定的行程，不需要频繁地间断地从车外源充电。混合推进系统在经济方面具有可行性，能适合车辆典型的电涌和行程要求。
通过在金属-空气转化器提供能量的电动车上集成发电机使成为车载充电系统，车辆的行程可被延长到超过300英里。这和传统燃烧发动机提供能量的车辆相比具有竞争力，大幅改善了电池提供能量的电动车的商业生存能力。通过采用金属-空气电池使系统重量获得改善，金属-空气电池相比传统的铅酸电池或其它改进的电池，单位容量或重量具有高得多的能量和功率密度。
附图说明
图1是采用了与本发明技术一致的结构的电动车的框图。
图2是适合图1所示电动车采用的金属-空气转化器的框图。
图3是根据本发明所述的实施例，图1所示电动车混合推进系统的框图。
具体实施方式
本发明提供了车辆的混合推进系统，所述车辆采用与发电机耦合的可充电的金属-空气转化器，以便为驱动电动机提供能量。发电机还适合为金属-空气转化器提供车载充电。下面将根据一个解释性的实施例阐述本发明。熟悉本领域技术的人员会意识到本发明能以多种不同的应用和实施例方式实现，不能将其应用特定地限制在于此将要详细描述的实施例中。
金属-空气电化学转化器是一种使用金属燃料产生能量的电池。传统的金属-空气电化学转化器中，金属燃料释放的能量基于已知的电化学原理。金属-空气电化学转化器中，来自转化器外部大气中的通过一个或多个空气入孔的氧气供应给转化器的阴极。金属燃料，例如锌、铝、镁、锂、铁、钙或其它适合的金属，被制成可用于转化器的阳极，或者说阳极由金属燃料形成。当负载被施加到转化器时，金属被转变成金属氧化物，同时相应地释放电子，提供电力。例如，在使用锌作为金属燃料的特定情况下，整个反应式为：
金属-空气转化器中铝、镁、锂、铁、钙和其它金属的反应式类似。
金属-空气转化器可通过提供来自车外源的电荷以逆转电化学过程的方式，或者通过供给新的金属燃料替代已消耗的金属燃料的方式充电。
电动车在本领域的技术中是已知的。例如，典型的电动车可由镍镉电池提供能量，其给位于任意位置的电动机提供20至200多马力的功率。电池通常通过车外的DC电源充电。但是，已知系统的问题在于，在要求的充电间隔内它们仅能提供有限的行程。大多数已知的电池提供能量的车辆要求频繁充电，在运动行程方面有严格的限制，典型地小于100英里。太阳能充电系统能降低频繁车外充电的需要。但是，与太阳能发电伴随的缺陷在于它的使用被限制在晴朗的天气和有阳光的时段。
本发明提供了混合推进系统，其适合在电动车中供以电动机动力。根据本发明所述实施例，电动车包括可充电的金属-空气转化器，以金属-空气电池为例，与车载发电机一起给车辆的电动机提供能量。车载发电机也与金属-空气转化器连接，以便为金属-空气转化器充电延长车辆运动的距离，不需要车辆停下来以便为金属-空气转化器补给燃料、充电或者替换。此处使用的术语“发电机(generator)”包括各种常见类型的能量源，所述能量源给机动车供给能量或车载能量，例如燃料电池、内燃机、太阳能电池、和微型和巨型的燃气轮机或蒸汽轮机、以及它们的组合。带有燃气轮机的燃料电池的集成，包括微型和巨型的燃气轮机，已被本受让人的美国专利5,693,201和5,976,332清楚地提出，此处相关的内容可作为参考。此处使用的术语“金属-空气转化器”参考通过将金属燃料中的金属转化成金属氧化物的方式释放电子以产生电力的装置。实例包括，但并不限于：锌-空气电池，铝-空气电池，镁-空气电池，锂-空气电池，铁-空气电池和钙-空气电池。金属-空气电池具有由包含金属的物质形成的阳极，所述金属氧化时释放电子。金属-空气电池是一种电池，其阳极由氧化时释放电子的金属(或包含金属的物质)形成。
对应地，图1是包含本发明所述实施例中改进推进系统的电动车V的方框图。系统包括发电机10，所述发电机电动地和/或机械地与可充电的金属-空气转化器12耦合或连接。如图所示，金属-空气转化器12与电动机16连接或耦合，所述电动机驱动机动车动力系T。燃料供给箱18也设置在车辆上，用于向发电机10输送燃料供给。在发电机10和电池12之间布置可选的电压调节器14。发电机10可以通过电压调节器与电动机连接，如图所示。为了便于说明，发电机10、金属-空气转化器12和电动机16如图所示相互之间串联连接。但是，已阐述的组件和其他电路或部件的某种特殊布置方式对熟悉普通机动车和特殊的电动车领域的技术人员来说是已知的。
发电机10，在稳定的工作状态下，主要用来给金属-空气转化器12进行车载充电，也能被用来给电动机提供能量。发电机10接收来自燃料供给箱18的发电机燃料，转化发电机燃料，下面将要更详细地描述，产生电力为转化器12充电，所述转化器12通常工作在可变负载要求下，依赖于地形、车速、驱动要求和环境等。发电机10的正负极电导线与转化器12对应的导线连接，以便按照要求沿着从发电机10到金属-空气转化器12的方向传输充电能量。根据所述实施例，发电机10也可以直接向电动机16提供能量。通过将连续的输出，车载能量供给，即发电机，集成到电动车上，本发明的混合推进系统显著地降低或消除了这种车辆对车外充电的依赖。
本发明的实施例中，发电机10包括燃料电池，例如质子电解液膜(PEM)燃料电池。固相氧化物燃料电池、熔化碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和碱性燃料电池也都适合。对熟悉本领域的技术人员来说，其它类型的燃料电池是显而易见的。至少在美国专利5,332,630中阐述了适合的燃料电池，相关内容可供此处参考。其它适合的燃料电池也被阐述，例如，美国专利4,614,628(1986年9月30日授予Hsu等人)，1988年1月26日授予Hsu的美国专利4,721,556，1989年8月1日授予Hsu的美国专利4,853,100，美国专利5,462,817，美国专利5,501,781，美国专利5,693,201，美国专利5,976,332，美国专利5,833,822，美国专利5,747,185，美国专利5,948,221，美国专利5,858,568和美国专利6,083,636。前述参考文献的相关内容可供此处参考。
金属-空气转化器可包括锌-空气转化器，铝-空气，镁-空气和其它转化器类型。适合的金属-空气转化器可从美国纽约Hawthorne的eVionyx中得到。图2是适合图1电动车使用的锌-空气电池200的实例框图。熟悉本领域的技术人员会意识到锌-空气电池是能在本发明的混合推进系统中实施的多种类型金属-空气转化器中的一个实例，本发明并不限于所述的金属-空气转化器。本发明的金属-空气转化器可包括任一种紧凑轻型转化器，其适合与发电机一起工作，例如电动车中的燃料电池。根据所述实施例，本发明使用的金属-空气转化器的能量密度大于200Wh/kg或500Wh/l，功率密度大于200W/kg或500W/l，尽管熟悉本领域的技术人员会意识到本发明并不限于这些范围。
如图所示，锌-空气电池200包括由锌形成的阳极210，由多孔碳结构或被合适的催化剂覆盖的金属丝网组成的阴极或空气电极220，和电解液230。电解液包括液体或能传导OH-离子，例如KOH，的固态聚合膜物质。当锌和阴极供给的氧气发生反应形成锌氧化物时，电子被释放。阳极210和阴极220连通形成放电回路240，所述回路将产生的电子从阳极传导到负载241。
如图2所示，为了提高金属-空气转化器的成本效率，金属燃料能通过化学回收过程从金属氧化物中重新生成，延长转化器的寿命。例如，在所述的锌-空气电池200中，阳极和阴极也连通形成充电回路250，所述回路将电化学反应产生的锌氧化物反向转化为锌，为电池充电。充电回路通过施加电荷到锌氧化物上逆转电化学反应的方式为电池充电。被转化的锌接着被再次用来产生额外的电子。
使用金属类型的燃料为电动机提供能量提供了良好的经济规模，同时也伴随地提供了使用方式和类型的灵活性。在将锌作为燃料的特定情况下，锌矿石有丰富可供利用的资源，被开采和转变成相对低成本的锌金属。在转化器内部，当锌以电化学方式转化成锌氧化物时，能量从锌中被提取出来。金属-空气转化器还具有高的能量重量比，结构紧凑，使用安全，并相对低廉。金属-空气转化器不像其它燃料那样产生有害的环境影响，因为在化学反应过程中没有有毒的副产品生成。
存在几个具有商业吸引力的选择，有助于降低原始锌燃料的成本。这些选择包括为转化器充电，将锌氧化物反向转化为锌金属，或者回收或者再加工锌氧化物用于其它的产业(例如制药业或农业)。使用金属燃料转化器的好处包括它可以补给燃料，可以充电，不会生成有害的排放或副产品。而且，相比任何现有或可预知的技术，转化器提供更多的功率和能量。进一步的，转化器能在室温和压力下工作，有利于环境，资源丰富并可回收。
在本领域技术的现有状态下，输送金属燃料或电荷给金属-空气转化器以补给金属燃料供应不仅困难、难处理并且效率低。现有的金属-空气转化器依赖车外的燃料补给站或充电站补给金属燃料或提供电荷。为了更宽范围的使用，用作推进源的金属-空气转化器要求许多可到达的、专用于为金属-空气转化器补给燃料或充电的服务站。另外，金属燃料相比传统燃料，例如汽油和天然气，要昂贵得多，其价格高出五倍。
如图1和图3所示，车载发电机10被用来连续地提供能量，为可充电的金属-空气转化器12充电，所述转化器给电动机提供能量。在这点上，发电机10起到金属-空气电池12的连续补充充电器的作用。因为没有要求发电机10作为单独的源为车辆的动力系提供所有的能量，所以要求的发电机额定功率被有利地降低。电池的能量消耗决定了发电机稳定的功率输出。在一些应用中，相比要求发电机用来为车辆运转或电池充电的情况，发电机被操作用来产生更多的电力。额外的电力可被输送到车辆外用于各种用途，例如，家庭和/或商业使用。
如图3所示，本发明所述的车辆推进系统中的金属-空气转化器12可用于多种不同的模式。本发明中，金属-空气转化器12可作为可充电的能量源被操作，类似于传统电池。金属-空气转化器也可作为可补给燃料的能量源被操作，类似于燃料电池，通过补给使用的金属燃料产生电力。可作为选择的，金属-空气转化器包括既可补给燃料又可充电的能量装置。
本发明提供了一种车辆的混合推进系统，所述系统采用发电机，例如质子交换膜(PEM)型燃料电池，和金属-空气转化器，如上所述，所述转化器可作为电池被操作。如图2所示，金属-空气电池12可从车载能量源充电，例如发电机，以延长车辆的运动行程。金属-空气电池也可以通过施加来自车外充电源38的电荷到金属-空气电池的方式充电。可作为选择的，金属-空气电池可从车外燃料源28补给燃料，所述燃料源向电池供给新的金属燃料。采用发电机提供车载充电降低了使车辆脱离工作状态利用车外源28或38之一补给燃料或充电的需要。
在所述的混合推进系统中，使用锌、铝或镁金属的金属-空气转化器作为用于消耗石化燃料或氢的混合系统中的电池被操作。车辆使用电池作为主要能量源完成加速和其他命令模式，以及发电机，例如燃料电池，作为能量源推进车辆运动一定距离。传统的电池，例如铅-酸或者NI-MH电池，都重且体积大，因此不合适采用燃料电池的车辆。当传统的电池被金属空气转化器替代，车辆能存储更多的车载燃料。
下面的表格比较了包括与铅-酸电池连接的燃料电池的现有技术系统和包括燃料电池与锌-空气电池的本发明所述实施例中的系统。熟悉本领域的技术人员会意识到发电机并不限于燃料电池，金属-空气转化器并不限于锌-空气电池。
                        表1
                         燃料电池/铅
                                       燃料电池/锌-空气
                         -酸
燃料电池重量    磅       500           500
                         500(铅-
电池重量        磅                     50-100(金属-空气)
                         酸)
燃料存储量      磅       500           950-900
氢燃料重量      磅       10            ＞18
                英
运动行程                200           ＞360
                里
如上所示，包括燃料电池与锌-空气电池的混合推进系统具有大于360英里运动行程，相比之下，包含铅-酸电池的系统的运动行程显著降低，仅为200英里。如上所示，包括燃料电池与锌-空气电池的混合推进系统与铅-酸电池系统的重量大致相等，但是，因为锌-空气电池比铅-酸电池轻得多，所以包括燃料电池与锌-空气电池的混合推进系统能携带更多燃料，确保高得多的运动行程。而且，不像铅-酸电池，锌-空气电池不包含有害的化学制品，例如酸。
对熟悉本领域的普遍技术人员而言，对本发明以上所述实施例所做的其它改动都是显而易见的，因此，都要包括在本发明的实质和范围之内。因而，本发明不是由前面的说明书限定，而是由后面的权利要求书限定。

Claims (25)

1、一种向电动车的电动机提供能量的能量供应系统，所述系统包括：
发电机，用于将燃料转化成电力，
金属-空气转化器，电动地与电动机和发电机耦合，用于接收发电机产生的电力，以及
燃料供给装置，用于向发电机供给燃料。
2、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述金属-空气转化器包括锌-空气电池、铝-空气电池、镁-空气电池、锂-空气电池、钙-空气电池和铁-空气电池中的一个。
3、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述金属-空气转化器适合被操作：
作为可充电电池，用于接收来自发电机的电力；
作为可充电电池，用于接收来自车外电源的电力；以及
作为燃料电池，带有补给的金属燃料。
4、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述发电机选自燃料电池、燃烧发动机、燃气轮机和它们的组合。
5、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述发电机包括混合能量源，所述混合能量源包括燃气轮机和燃料电池。
6、如权利要求4所述的能量供应系统，其特征在于，所述燃料电池选自固相氧化物、固态、熔化碳酸盐、磷酸和碱性以及质子电解液膜燃料电池。
7、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述金属-空气转化器具有大于200Wh/kg或500Wh/l的能量密度和大于200W/kg或500W/l的功率密度。
8、如权利要求1所述的能量供应系统，其特征在于，所述发电机产生超过金属-空气转化器充电或车载用途需要的能量，能为车外用途提供能量。
9、一种给电动车的金属-空气转化器充电的方法，包括以下步骤：
利用车载发电机产生电力，以及
将来自发电机的电力施加到金属-空气转化器，以便将金属-空气转化器产生的金属氧化物转化成金属燃料。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述金属-空气转化器向电动车上的电动机提供能量。
11、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述产生电力的步骤包括以电化学方式将发电机燃料转化成电力。
12、如权利要求11所述的方法，还包括向发电机供给发电机燃料的步骤。
13、如权利要求9所述的方法，还包括从车外源接收金属燃料供给的步骤。
14、一种电动车的车辆推进系统，包括：
       电动机，用于驱动电动车的车辆动力系；
       金属-空气转化器，与电动机耦合，用于向电动机提供能量；以及
       发电机，与金属-空气转化器耦合，用于给金属-空气转化器充电和给电动机
提供能量，其中，电动机、金属-空气转化器和发电机互相连接。
15、如权利要求14所述的车辆推进系统，其特征在于，所述金属-空气转化器包括锌-空气电池、铝-空气电池、镁-空气电池、锂-空气电池、钙-空气电池和铁-空气电池中的一个。
16、如权利要求14所述的能量供应系统，其特征在于，所述发电机选自燃料电池、燃烧发动机、燃气轮机。
17、如权利要求14所述的能量供应系统，其特征在于，所述发电机包括混合能量源，所述混合能量源包括燃气轮机和燃料电池。
18、如权利要求16所述的能量供应系统，其特征在于，所述燃料电池选自固相氧化物、固态、熔化碳酸盐、磷酸和碱性以及质子电解液膜燃料电池。
19、一种推进车辆的方法，包括以下步骤：
将金属燃料转化成金属氧化物，其中，转化金属燃料的步骤释放电子以产生电力；
施加电力到电动机，以驱动机动车的动力系；以及
通过施加来自车载发电机的电荷到金属氧化物，将所述金属氧化物的至少一部分反向转化成金属燃料。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述金属燃料包括锌、铝、镁、锂、钙和铁中的一种。
21、如权利要求19所述的方法，还包括向车载发电机供给发电机燃料的步骤，其中，发电机将发电机燃料转化成电荷。
22、一种电动车，包括：
电动机，用于驱动车辆；以及
可充电电池，带有车载能量源，用于向电动机提供能量，
其中，在需要车外源对电池充电之前，所述车辆能运动超过300英里的距离。
23、如权利要求22所述的车辆，其特征在于，可充电的电池包括金属-空气转化器。
24、如权利要求22所述的车辆，其特征在于，车载能量源包括发电机和燃料供给装置。
25、如权利要求24所述的车辆，其特征在于，所述发电机选自燃料电池、燃烧发动机、燃气轮机和它们的组合。
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