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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年05月)

各位读者大家好,2020年5月燃料电池全球专利监控报告全新发布。本期监控报告的内容主要包括三个部分,分别为:

        1、2020年5月燃料电池领域公开专利整体情况介绍;

        2、国内申请人专利公开情况介绍;

        3、部分申请人介绍及其公开专利解读,具体包括丰田公司氢循环泵以及丰田公司通过充分混合阳极废气和高压氢气,避免阳极气体浓度不均导致的燃料电池性能下降;现代公司膜电极组件制造相关设备;本田公司燃料电池堆用虚设单电池。



一、整体情况介绍

 1.1 专利公开地域情况

      2020年5月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1077件,较上月相比(1106),数量有小幅下降。本月,中国地区专利公开数量与上月(576)有一定增加,发明申请专利公开较上月有一定增加。部分公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。


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图1-1 部分地区燃料电池专利5月公开/授权情况


 1.2 专利技术分支情况


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图1-2 燃料电池专利5月公开/授权的技术分布


 1.3 申请人专利申请情况

       将专利申请人经过标准化处理后,对标准化申请人的专利申请数量进行统计,如图1-3所示。本月,丰田公司公开专利86件,其中发明申请和发明授权数量分别为45、41件;LG公司和现代公司均公开专利33件,其中LG公司授权公告的发明专利共计14件,现代公司公开的发明申请专利共计24件;日产公司公开专利共22件,其技术主要涉及系统控制和电堆;格罗夫公开专利25件,实用新型专利和外观设计专利占绝大多数;中国一汽共公开专利24件、博世公司和清华大学均公开专利20件。


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图1-3 标准化申请人专利5月公开/授权排名

       在燃料电池应用方面,长江勘测规划设计研究有限责任公司公开了两件关于利用氢燃料电池作为水电站保安电源、备用电源的专利;中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司公开了一件关于基于燃料电池的楼宇综合能源供应系统的专利;O'ROURKE研究集团公司公开了一件关于采用燃料电池用作电力供应的洗衣干衣一体机的专利;国鸿氢能与佛山(云浮)氢能产业与新材料发展研究院共同申请了一件关于利用燃料电池作为应急电源的专利。



二、国内申请人专利公开情况

  2.1 国内整车厂5月专利公开情况

       国内整车厂在5月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利25件;中国一汽公开24件专利,主要涉及双极板(石墨型、金属型)、膜电极组件(催化剂、气体扩散层、自增湿质子交换膜)、热管理等;北汽集团与申龙客车在本月均公开5件相关专利,其中申龙客车的专利技术主要涉及燃料电池客车相关控制等。其他在5月公开相关专利的整车厂还包括众宇动力、武汉泰歌、长城汽车、东风汽车、飞驰汽车、江淮汽车等。


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图2-1 整车厂5月专利公开情况


 2.2 燃料电池企业5月专利公开情况

       国内燃料电池企业在5月的专利公开情况如图2-2所示。其中,潍柴动力公开专利10件,主要涉及空气系统、氢气泄露检测、活化等技术;上海神力公开专利9件,主要涉及双极板粘接、检漏,水管理及启动等相关技术;格力电器与上海治臻均公开8件专利;其他在5月公开相关专利的企业还包括武汉中极氢能、成都新柯力化工、北京中氢绿能、大洋电机、锋源氢能、新源动力、浙江高成绿能等。

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图2-2 燃料电池企业5月专利公开情况

 2.3 科研院所(校)5月专利公开情况

        燃料电池相关科研院所(校)在5月的专利公开情况如图2-3所示。其中,清华大学公开专利21件,其技术主要涉及氢气管路安全、双极板、低温启动等;佛山科学技术学院本月公开专利5件,主要涉及催化电极制备;中科院大连化物所公开专利16件,其技术主要涉及风冷型金属双极板、催化剂、膜电极检漏以及启动控制等;其他在5月公开相关专利的科研院所(校)还包括:同济大学、江苏大学、大连理工大学、西安交通大学、山东理工大学等。


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图2-3 燃料电池科研院所(校)5月专利公开情况



三、部分申请人公开专利解读

 3.1 丰田公司

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图3-1 丰田公司5月公开专利技术分支情况

       2020年5月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利86件,主要涉及电堆、系统控制、整车、动力系统等技术分支。

      下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为US20200168924A1、JP6702174B2。其中,US20200168924A1涉及燃料电池用氢循环泵、JP6702174B2涉及避免因阳极气体浓度不同而导致的燃料电池发电电压降低和催化剂老化。


 3.1.1 US20200168924A1——燃料电池系统用氢循环泵及燃料电池系统

        氢循环泵用于将燃料电池电堆中未反应完的氢气重新加压泵入电堆中,由此减少了氢气的浪费。氢循环泵通常包含用于驱动泵体的电机M和用于控制电机的逆变器I,在氢循环泵运行过程中,逆变器I会产生较大热量,由此造成逆变器中的电路板、电容、功率模块等部件的耐久性下降。此外,氢循环泵运转过程中,轴承也会因为摩擦发热,降低了轴承的使用寿命。为此,有效冷却逆变器I和轴承对于提高氢循环泵的使用寿命是至关重要的。

       为了解决上述问题,丰田公司对氢循环泵的结构进行改进,充分利用储氢罐中的低温氢气对氢循环泵的逆变器I和轴承进行冷却,提高了氢循环泵的使用寿命。参见图3-2,氢循环泵1包含泵体1和电机M,电机M由逆变器I控制。在逆变器I和电机M之间设置有冷却器11,储氢罐2中的低温氢气经由阀门6c和6d通过流入口11b进入冷却器11中,这样冷却器11可以同时降低逆变器I和电机M的温度,从而大大提高氢循环泵的使用寿命。参见图3-3,为了提高冷却器11的冷却效果,可以将冷却器11设置为翅片11e。此外,低温氢气通过电机M的中空轴(蓝色路径)与氢气循环回路的氢气(红色路径)汇合,汇合后的氢气供给到电堆中(黄色路径)。当低温氢气流经电机M中空轴的过程中,可以有效降低轴承的温度,由此也提高了轴承的使用寿命。


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图3-2 氢循环系统结构示意图

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图3-3 氢循环泵结构示意图


 3.1.2 JP6702174B2——燃料电池系统

       为了提高氢气利用率,燃料电池系统中会将阳极废气经过氢气循环泵加压,再和储氢罐中的高压氢气混合后作为阳极气体送入电堆中发电。但是由于阳极废气和高压氢气的成分不同,如果不能将阳极废气和来自储氢罐的高压氢气充分混合,则会导致阳极气体以不同的浓度供应到电堆的不同位置。而阳极气体浓度不均匀,则在形成燃料电池的多个单电池中存在气体浓度不足的单电池,这导致电池发电电压降低和催化剂老化。

       为了有效避免上述情况,丰田公司针对阳极废气和高压氢气混合的管路进行了改进,通过让阳极废气和高压氢气在管路内形成涡流,达到有效混合气体的目的。如图3-4所示,燃料电池氢气供应回路包括储氢罐供给的高压氢气以及经过气液分离器和氢气循环泵加压后的阳极废气,高压氢气和阳极废气在Cn1处混合,由合并通道170供应至电堆。为了有效混合高压氢气和阳极废气,丰田公司将高压氢气的氢供给通道120和氢循环通道160在位置上做了微调,由之前的管路轴线重叠,改进为轴线向相反方向错位L距离,这样高压氢气和阳极废气在Cn1处会形成一个涡流S,促使高压氢气和阳极废气充分混合。

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图3-4 氢循环系统示意图

       丰田公司提出的另一个替代方案是:氢供给通道和氢循环通道在合并通道170的轴向也进行错位,同时二者的轴线都向相同方向错位L距离。这种设计可以让高压氢气在管路中形成S1方向的涡流,而阳极废气在管路中形成S2方向的涡流,由于S1和S2的方向相反,高压氢气和阳极废气的不同流向的涡流更容易进行充分混合。


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图3-5 氢循环系统示意图


 3.2 现代公司

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图3-6 现代公司5月公开专利技术分支情况

       2020年5月,现代公司在燃料电池领域共公开专利33件,主要涉及电堆、空气系统、系统控制等技术分支。

       现代公司在5月公开了两件与燃料电池膜电极组件制造相关的专利,分别属于膜电极组件热处理装置和后续的膜电极切割装置。膜电极结构见图3-7,电极催化剂层5位于电解质膜3的两个表面,并且副衬垫7固定至电极催化剂层5的边缘。现代公司通过自动化系统以卷到卷工艺的方式生产膜电极组件1。


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图3-7 膜电极组件结构示意图


 3.2.1 CN111180770A——用于燃料电池的膜电极组件的热处理装置

       将催化剂层热压至电解质膜的环节中,催化剂层与膜电极结合强度至关重要,如果催化剂层脱落,将极大影响燃料电池的性能。为了提高催化剂层的热压效果,现代公司利用热压机对催化剂层进行热处理。

      参见图3-8,热压机10用于在预定温度下对膜电极组件101的上表面和下表面的电极催化剂层5进行加压处理。热压机10包括沿膜电极组件片101的进料方向布置的多个加压单元15,每个加压单元15包括一对热板13,电极催化剂层5位于两个热板13之间。整个热处理装置还包括视觉传感器31,可以检测催化剂层的间隔,并将检测信息输入控制器中。此外,热处理装置还包括位置校准单元35,位置校准单元35根据视觉传感器31检测的电极催化剂层5间隔信息,来调整加压单元15的位置。位置校准单元35包括X轴伺服电机和Y轴伺服电机,分别在X轴方向上(即在进料方向上)和Y轴方向(即垂直于进料方向的方向)上,调节加压单元15的位置。

     为了防止膜电极在热压过程中发生热收缩和褶皱变形,热压机进一步包含如图3-9所示的夹持器模块40,两个夹持器模块40分别位于膜电极两侧,对电解质膜施加张力,确保膜电极在热处理过程中不会发生收缩和变形。在膜电极进行热压之后,通过冷却单元80向膜电极组件喷射冷却空气,可以防止副衬垫的皱折变形。


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图3-8 热压机结构示意图



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图3-9 热压机夹持模块示意图

 

 3.2.2 CN111168765A——制造用于燃料电池膜电极组件的切割装置和方法

      参见图3-10,膜电极经过热压后,由切割装置10切割为合适的尺寸,经过视觉检查后装入产品盒中。切割装置10的结构参见图3-11,切割装置10包括切割器组件15,切割模具11和位置矫正单元20,切割器13通过支撑杆17上下移动,对位于切割模具11上表面的膜电极进行切割。为了确保膜电极组件的切割位置准确,视觉传感器检测的膜电极组件位置后,位置矫正单元20根据膜电极和催化剂层的位置可以对切割模具11的位置进行调整,通过X、Y方向平动以及XY平面的转动调整,可以提高膜电极的切割精度以及良品率。


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图3-10 膜电极组件的切割装置示意图


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图3-11 切割装置示意图


 3.3 本田公司


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图3-12 本田公司5月公开专利技术分支情况

       2020年5月,本田公司在燃料电池领域共公开专利15件,主要涉及电堆、储氢、动力系统等技术分支。

       下文分析的本田公司燃料电池相关专利的专利公开号为JP6694913B2。JP6694913B2主要涉及燃料电池电压控制。


 3.3.1 JP6694913B2——燃料电池堆、燃料电池堆用虚设单电池及其制造方法

       燃料电池电堆中,金属双极板夹持MEA构成发电单电池,将多个发电单电池层叠即构成电堆。沿燃料电池电堆层叠方向,两端设置有用于输出电力的端子板以及固定电堆的端板。由于电堆两端的端部可以通过端子板散热,因此电堆端部比中间部分的温度更低,也更容易受到环境温度的影响。当环境温度较低时,端部的温度也较低且容易发生凝露,凝结的液态水会影响反应气体扩散,并引起电堆发电性能下降。为了避免上述问题,现有技术中在电堆端部设置有虚设单电池。虚设单电池不进行发电,也不会产生水分,因此可以作为端子板和电堆的隔热结构防止端部单电池温度降低,提高电堆发电的稳定性。

      为了进一步降低虚设单电池的制造成本,本田公司对虚设单电池的结构和制造工艺进行改进。设置了虚设单电池的电堆结构如图3-13所示,在电堆14两端分别设置有端部发电单元16和22,端部发电单元左侧设置有两个虚设单电池18、20,右侧设置有一个虚设单电池24,在虚设单电池两侧分别依次设置有端子板、绝缘件和端板。

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图3-13 电堆结构示意图

       虚设结构体106替代了膜电极组件,如图3-14左图所示,虚设结构体106由虚设树脂框构件111和三层导电性多孔质体112、114、116组成,其中第三导电性多孔质体116的两个边长均大于第二导电性多孔质体114,第二导电性多孔质体114的两个边长均大于第一导电性多孔质体112。第三导电性多孔质体116通过接合部120固定在虚设树脂框构件111上,而第二导电性多孔质体114通过粘结剂层固定在第三导电性多孔质体116上,第一导电性多孔质体112也通过粘合剂层固定在第二导电性多孔质体114上。由此,虚设结构体106结构十分简单,通过树脂粘结即可保证虚设结构体106的强度,大大降低了制造工艺的复杂性。参见图3-14右图,本田公司同时对虚设隔板进行改进,通过在隔板上设置入口阻断部122a和出口阻断部122b,密闭空间126可以作为隔热空间来提高虚设单电池的隔热性能。

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图3-14 虚设结构体结构示意图


3.4 国内科研院校燃料电池相关专利一览




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