导读
各位读者大家好，2020年7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7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，具体包括丰田公司燃料电池输出功率控制以防止质子交换膜过于干燥而导致电池性能大幅下降，金属双极板制造过程中防止涂层剥落对隔板加工精度造成影响以及电堆密封圈异常检测；本田公司燃料电池活化方法；博世公司氢气配量阀结构。
一、整体情况介绍
1．1 专利公开地域情况
2020年7月，燃料电池领域在全球范围内公开／授权的专利共1296件，较上月相比（1231），数量有一定增加。本月，中国地区专利公开数量与上月（668）有一定增加，发明授权专利较上月（89）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。
图1－1 部分地区燃料电池专利7月公开／授权情况
1．2 专利技术分支情况
图1－2 燃料电池专利7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125件，其中发明申请和发明授权数量分别为68、56件；日产公司公开专利40件、现代公司公开专利38件、本田公司公开专利32件，其中日产公司授权公告的发明专利共计21件；格罗夫公开专利25件，其中实用新型专利占17件；潍柴动力公开专利18件，实用新型专利共计15件；西安交通大学公开专利17件、清华大学公开专利16件。
图1－3 标准化申请人专利7月公开／授权排名
在燃料电池用阀方面，上海杰宁新能源公开了一种氢燃料电池供氢阀组的组合设备；博世公司公开了一种用于控制气体介质的配量阀及喷射泵单元；上海捷氢公开了一种用于排氢的电磁阀，具有结构简单、低温启动效应快等特点。江苏国富氢能与张家港氢云共同申请了用于氢气瓶的瓶口阀，具体包括瓶口阀的进出气结构、泄压装置、组合阀等；上海舜华公开了5件与储氢瓶瓶阀有关的技术，包括高压氢气手动截止阀、电磁阀主阀、超高压先导式电磁阀等；行云新能科技公开了一种用于高压氢气瓶的瓶阀组件。现代公司公开了一种燃料电池系统用空气切断阀装置。
二、国内申请人专利公开情况
2．1 国内整车厂7月专利公开情况
图2－1 整车厂7月专利公开情况
国内整车厂在7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，主要涉及系统控制、整车、热管理、排放回收等。中国一汽公开8件专利，主要涉及电堆结构与电堆组装、双极板、动力系统等；东风汽车公开专利6件，主要涉及燃料电池系统怠速控制、低温启动加热装置、氢泄漏检测等。其他在7月公开相关专利的整车厂还包括上汽集团、武汉泰歌、江铃汽车、北汽集团、长城汽车、金龙汽车、宇通客车、中国重汽等。
2．2 燃料电池企业7月专利公开情况
图2－2 燃料电池企业7月专利公开情况
国内燃料电池企业在7月的专利公开情况如图2－2所示。潍柴动力公开专利18件，主要涉及燃料电池热管理，系统控制等。深圳世椿公开专利14件，主要涉及石墨板贴合治具与浸胶罐，金属双极板自动化生产线、点胶自动固定装置，气体扩散层上料装置以及膜电极制备设备等。银隆新能源与上海治臻均公开10件专利，其中上海治臻与上海交通大学、未势能源共同申请了两件专利，具体涉及电堆装配与金属双极板制造。其他在7月公开相关专利的企业还包括江苏国富氢能、张家港氢云、上海舜华、上海垂虹金属制品、深圳氢蓝时代、锋源氢能、魔方新能源、格力电器、上海捷氢等。
2．3 科研院所（校）7月专利公开情况
图2－3 燃料电池科研院所（校）7月专利公开情况
燃料电池相关科研院所（校）在7月的专利公开情况如图2－3所示。其中，西安交大公开专利17件，主要涉及加氢站用离子液体压缩机、金属支撑型固体氧化物燃料电池结构、密封等；清华大学公开专利16件，主要涉及燃料电池寿命检测、衰退诊断等；上海交通大学公开专利9件，主要涉及透气双极板、质子交换膜以及催化剂制造等。其他在7月公开相关专利的科研院所（校）还包括吉林大学、太原理工大学、大连化物所、华中科技大学、同济大学等。
三、部分申请人公开专利解读
3．1 丰田公司
2020年7月，丰田公司在燃料电池领域共公开专利125件，主要涉及系统控制、电堆、储氢、整车等技术分支。
下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为JP2020102329A、US10714763B2、JP2020113372A。其中，JP2020102329A涉及燃料电池输出功率控制，防止质子交换膜过于干燥而导致电池性能大幅下降；US10714763B2涉及金属双极板制造，防止涂层剥落对隔板加工精度造成影响；JP2020113372A涉及电堆密封圈异常检测。
3．1．1 JP2020102329A——燃料电池系统
燃料电池在运行过程中，如果质子交换膜中水分减少，其质子传导性会随之降低，会导致燃料电池输出电压降低，即出现燃料电池性能下降的情形。因此，在燃料电池运行过程中，最好避免出现质子交换膜含水量不足的情况。但是，在外界气温过高的情况下让燃料电池以大功率运行，在散热器冷却性能不足的情况下，会导致燃料电池车辆运行功率受到限制。
为了解决上述问题，丰田公司根据外界环境温度、制冷剂温度来控制燃料电池的功率输出，避免燃料电池质子交换膜过度干燥，由此可以防止燃料电池输出急剧恶化。
具体而言，控制系统通过传感器采集车速、加速度、坡度等信息计算车辆运行所需的功率和二次电池所能提供的功率，然后判断当前油门开度达到100％的时间是否超过预定时间，若油门开度达到100％的时间超过预定时间，则根据环境温度的高低来计算燃料电池输出功率限制值，并限制燃料电池的输出功率。控制单元基于外界环境温度通过查表等方式来确定车辆最高巡航速度，最高巡航速度对应于燃料电池系统热平衡时的巡航速度，当然若考虑电机热平衡设计，也可以将电机热平衡作为约束条件。根据最高巡航速度确定车辆的驱动力，再结合二次电池的SOC和充放电性能，计算出燃料电池的输出功率限制值。
通过上述方法，可以提前对燃料电池输出功率进行限制，由此可以保证燃料电池运行在较高功率输出范围，而不会导致质子交换膜过于干燥，从而出现燃料电池性能大幅度下降。
3．1．2 US10714763B2——燃料电池用隔板的制造方法
燃料电池金属双极板在制造过程中会进行表面处理，如涂覆碳层。但是涂覆碳层的双极板在后续的冲压过程中，碳层可能会剥落，剥离后的细颗粒会堆积于金属模的表面。由此，在下一次冲压加工时，金属模与双极板材料（在表面形成有碳层的基材）的摩擦系数上升，阻碍冲压中的隔板材料的移动，使得隔板材料的加工精度降低，可能导致流路部等产生破裂、弯曲增大而使粘合部（与燃料电池电池单体的粘合部）的密封性变差的问题。
为了解决上述问题，丰田公司在金属模的表面开槽，槽的大小足以容纳剥落的涂层颗粒。双极板在冲压过程中，涂层最容易出现剥落的位置是双极板折弯的角部，此时剥落的涂层颗粒会随着加工油排到模具外部。通过这种方式，金属双极板在冲压过程中剥落的涂层颗粒不会对冲压过程造成影响，保证了金属双极板的加工精度。
图3－1 金属模的表面开槽示意图
3．1．3 JP2020113372A——燃料电池堆的制造
燃料电池电堆在制造过程中，需要通过密封垫圈对相邻双极板进行密封。但是由于密封垫圈在电堆内部，很难通过外部检测发现密封垫圈发生变形，而变形的密封垫圈会影响电堆性能。
为解决上述问题，丰田公司利用超声波来检测密封垫圈是否发生变形。由于超声波的波速和通过的空间密度有关，因此当垫圈发生变形时，接收到的超声波的波速较慢，由此可以判断电堆垫圈是否发生变形。参见下图，在电堆两侧分别放置超声波发生器和接收器，并通过接收器计算超声波的强度。当电堆的密封垫圈未出现变形时，超声波的强度，若电堆密封垫圈出现变形，超声波强度降低。通过超声波检测电堆密封垫圈是否出现异常，可以尽早对出现异常的电堆进行更换和处理，提高了电堆生产的良品率。
图3－2 利用超声波来检测密封垫圈是否发生变形
3．2 本田公司
2020年7月，本田公司在燃料电池领域共公开专利37件，主要涉及电堆、整车、系统控制等技术分支。
下文分析的本田公司燃料电池相关专利的专利公开号为WO2020138338A1。WO2020138338A1燃料电池活化方法。
3．2．1 WO2020138338A1——燃料电池的活化方法及装置
燃料电池电堆装配完成后，其发电性能较差，为提升其发电性能需要对电堆进行活化处理。现有技术中，对电堆进行活化处理采用重复向电堆供应反应气体，然后停止供应空气的操作，但是这样会导致氢气渗透到阴极，并在下一次供应空气时，氢气和空气中的氧气在阴极直接发生反应，其产生较大热量会加速电堆的性能衰减。
为了改善上述问题，本田公司对于活化的流程进行改进。参见下图，活化过程为第一通电步骤和第二通电步骤交替进行，其中第一通电步骤是向阳极通入氢气，向阴极通入空气和惰性气体混合气体，然后电堆输出通过电负载连通，燃料电池进行发电，经过一段时间后，进入第二通电步骤，此时关闭阴极空气通道，仅向阴极通入惰性气体，由于空气浓度下降，电堆电压开始下降，而由于阴极填充惰性气体，因此氢气不会交叉泄露到阴极，也就保证了在第一通电步骤中，阴极的空气不会直接与氢气直接发生反应。当电堆输出电压低于阈值电压后一段时间后，重新开启空气通道，电堆进入第一通电步骤，由此反复循环对电堆进行活化。
图3－3 WO2020138338A1燃料电池活化流程
3．3 博世公司
2020年7月，博世公司在燃料电池领域共公开专利32件，主要涉及电堆、氢系统等技术分支。
下文分析的博世公司燃料电池相关专利的专利公开号为CN111373158A、CN111373341A。CN111373158A、CN111373341A主要涉及氢气配量阀结构。
3．3．1 CN111373158A、CN111373341A——氢气配量阀
本月博世公司公开了2件专利，都是关于氢气配量阀结构的。参见下图，配量阀的总体结构大致相同，主要包括电磁体、电磁衔铁、弹簧、关闭元件、密封元件和流通通道几个部分，电磁衔铁在电磁铁和弹簧的合力作用下沿阀体上下移动，当电磁铁不通电时，电磁衔铁被弹簧压紧，关闭元件带动密封元件将流通通道密闭，氢气不能从流通通道流出；而当电磁铁通电后，电磁衔铁向上移动，密封元件不能将流通通道密封，氢气可以从流通通道流出。电磁衔铁移动的位移与电磁铁线圈电流大小相关，因此可以通过控制电磁铁线圈电流的大小来控制氢气流量。
为了进一步提升配量阀的使用效果，本月博世公司的两件专利分别对于配量阀的安装对中精度以及密封效果进行改进。参见下图中左图，博世公司在喷嘴的外侧上布置有密封元件54，该密封元件用于对接收喷嘴开口中的间隙进行密封。参见下图中右图，博世公司在配量阀的纵轴线径向地设计有第一阶梯和第二阶梯，用于将配量阀在泵壳体和喷射泵主体对中和导向。
图3－4 氢气配量阀改进示意图
3．4 国内燃料电池企业相关专利一览
