[发明专利]用于车辆推进的燃料电池/超级电容器/电池电力系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求共同拥有的于2009年8月7日提交的题为“All Solid-State Electrochemical Double Layer Supercapacitor(全固态电化学双层超级电容器)”的美国临时专利申请61/232,068和于2009年8月7日提交的题为“Full Cell/Supercapacitor/Battery Power System for Vehicular Propulsion(用于车辆推进的燃料电池/超级电容器/电池电力系统)”的美国临时专利申请61/232,071的优先权并与这两个美国临时申请相关，这两个临时专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及固态能量储存装置，尤其涉及这种装置内的电解质薄膜。本发明还涉及使用这些储存装置来驱动车辆的方法及系统。

背景技术

随着发展中国家的工业化和需求增加，已知的全球储油量正以飞快的速度逐渐减少。2008年每桶原油的价格超过了100美金，并且在未来可能更贵。对于发电，存在许多燃油发电厂的替代方案：天然气、煤、核能和水力发电厂已经广泛设置在美国和其它工业化国家。然而，燃烧天然气和煤都会导致大气层内二氧化碳浓度增加，且随着全球变暖加速，各国政府正在寻求这些日益关注的焦点的解决方案，所以目前对于诸如太阳能、风力和潮汐这些可再生能源感兴趣。

现今路上行驶的汽车大都使用从原油当中提炼的汽油或柴油燃料。除非可以将这些车辆转变成其他形态的能量运转，否则我们对交通工具的选择一定会受到高油价的严重冲击。未来某些汽车可使用氢气、天然气、液化石油气、生化柴油或电能来运转。本发明的目的是提供一种运用燃料电池、电容器以及电池的许多优点，并且涉及到制作和制造这种电力系统的净能量平衡最佳化的车辆推进选项。

应该理解，燃料电池是一种在将化学能转换成电能方面非常有效的装置。现今可用的最有效和弹性的燃料电池技术是固态氧化物燃料电池(SOFC)，这种电池可以在许多不同种的碳氢化合物或氢气上操作。SOFC的主要缺点是在高温下操作，并且若使用碳氢化合物燃料则会排放二氧化碳。其他类型的燃料电池诸如直喷甲醇和氢燃料电池的运转温度低很多，然而根据整体化学反应2CH₃OH+3O₂＝2CO₂+4H₂O，前者仍然会产生二氧化碳。

车辆应用使用燃料电池的另一缺点是它们与电池或电容器比较时，每功率瓦数的成本非常高。当考虑特定车辆推进应用需要多大的燃料电池时，根据所需最大平均功率设定燃料电池的尺寸以及当加速、爬陡坡等时提供辅助能量储存装置来提供额外电力是最经济的方式。

现今的复合式电车和插电式电动车主要使用镍氢(NiMH)锂离子电池；早期使用比较便宜但重的铅酸电池的车款大多已经没有行使。大多数专家相信，未来大部分电动车都将使用锂离子电池，类似于Tesla Roadster或即将上市的Chevrolet Volt内使用的电池。这些车的电池组非常昂贵并且需要大量的能量进行制造。不幸的是，大多数移动电话和膝上电脑内锂离子电池的使用者可证实，这些电池的容量和性能会随时间降低。人们仍旧想要知道，电动车专用的最新一代锂离子电池将维持多久。实验室内测得的使用寿命和保存期限并不一定总是忠实反映出实际使用情况，因为在一般行使情况下将会经历许多不可预测的环境。

真正的危机在于，现今所制造的电动车不能节省制造时所需的额外能量。如果电池的使用寿命不长，那么净能量平衡为负值的可能性很高。除了帮助降低整体二氧化碳排放之外，使用大型、短寿命电池制作的电动车实际上增加了能量消耗，因此加速了全球变暖。如果电动车内的电池平均每天充电/放电一次，那么电池应该有远超过5,000次循环的循环寿命，以确保车辆可持续行驶10年。许多车主预期自己的车能够开的比这更久，但是在马路上倒是不常见到车龄为30年的汽车。旧式电动车的电池更换的过高成本迫使大多数车主购买新车，而制造新车所需的能量远超过只制造电池所需的能量。因此，人们需要一种未来车辆电力系统中所使用的昂贵和关键成分，其非常坚固，且其使用寿命远超过化学电池已经能达到的时间。

电化学电池具有有限寿命的主要原因是因为它们的电极会在充电和放电期间经历化学变化。这些变化可以具有相位变化、结构变化和/或体积变化的形式，这些全都会随时间严重耗损电极的完整性，并且减少电池容量。的确，最新一代锂离子电池中的充电和放电过程都必须小心控制，过充或过放都可能限制性能并导致电池过早故障。