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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2019年8月)

燃料电池专利情报 2020-03-06 14:59 发文

各位读者大家好,每月一期的燃料电池领域全球专利监控报告又和大家见面啦。本期监控报告的内容主要包括三个部分,分别为:

  1、2019年8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分析,主要涉及燃料电池启动相关专利的分析。

后台留言联系可获取PDF版本监控报告和专利清单

1、整体情况介绍

1.1 专利公开国家情况

2019年8月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1379件,其中发明申请公开789件,发明授权439件。具体的公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。

图 1-1 各国燃料电池专利8月公开/授权情况

由上图可见,2019年8月燃料电池领域,中国公开的专利数量最多,其次是日本、美国、韩国等重视燃料电池技术的国家。其中中国公开专利中,发明申请数量较大,其数量远大于发明授权和实用新型授权,说明在燃料电池领域申请人在中国的专利申请积极性较高,专利申请数量增长趋势明显。其余国家/地区/组织公开的发明专利申请量和授权量相差不大,专利申请总体趋于平稳。

1.2 专利技术分类情况

将燃料电池相关专利按照电堆、控制系统、检验检测、动力系统(燃料电池集成系统)、氢系统(供氢、氢气循环)、热管理系统、储氢相关(储氢瓶、储氢材料等)、空气系统、整车、(废气、废水)排放、增湿相关和加氢相关,这12个类别进行分类,不属于上述类别则划分至其他。从技术分支分布来看,与电堆有关的专利申请数量最多,达到666项。电堆作为燃料电池的核心,涉及的组件很多,例如双极板、膜电极和催化剂等,还包括电堆相关组件的制造设备、电堆的密封和绝缘等。电堆的技术改进,向来是燃料电池厂商攻克的主要方面。

图1-2 燃料电池专利8月公开/授权的技术分布

除此之外,燃料电池热管理、控制系统、储氢方面的专利公开数量较上月有所增加,关于燃料电池的检验检测方面的专利公开数量保持稳定。

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。从申请人来看,专利公开数量排名前十的大多数都为国外的汽车公司,其中,丰田公司公开的专利以143件遥遥领先,发明申请公开98件,发明授权公开43件,发明申请公开较上月有一定数量增加;松下和本田的专利公开数量分别为33件、38件;韩国的LG和现代公司分别位列第4和第6,专利公开数量分别为30件、26件。此外,日产、大众、博世、日本电装等国外公司的专利公开量均在10件以上。

图1-3 标准化申请人专利8月公开/授权排名

中国申请人方面,格罗夫的专利数量公开较多,以19件排名第8,但较上月有较高增幅,其技术主要涉及电堆、动力系统、热管理、氢系统等。郑州宇通客车的专利公开数量为11件,且其公开的专利主要为发明申请,涉及控制系统、动力系统等方面。以清华大学和福州大学等为代表的国内高校也持续在燃料电池领域进行技术研发,主要集中在电堆组件、燃料电池检测检验等方面。中国科学院大连化学物理研究所本月公开的专利较少。

2、国内申请人专利公开情况

本报告按照国内整车厂、燃料电池企业和科研院所(校)对燃料电池相关机构进行分类,并选取了部分机构统计其在2019年8月的专利公开情况。

从国内申请人8月的燃料电池方面专利公开情况可以映射各企业的技术研发情况,从而对国内燃料电池的发展现状和趋势有一个初步的了解。

2.1 国内整车厂8月专利公开情况

国内整车厂在8月的专利公开情况如图2-1所示。可以看到,国内几个主流的整车厂公开专利涉及的技术分支包括电堆、氢系统、动力系统等。格罗夫在8月的专利公开数量共19件;郑州宇通客车在8月共公开了11件专利;武汉泰歌在8月公开7件相关专利,主要涉及动力系统、检验检测等;此外,众宇动力、上汽、长城汽车以及吉利等也有一定数量的专利公开。

图2-1 整车厂8月专利公开情况

2.2 燃料电池企业8月专利公开情况

国内燃料电池企业在8月的专利公开情况如图2-2所示。江苏耀扬新能源公开了12件专利,均为关于电堆方面的实用新型专利;其次,潍柴动力和明天氢能分别公开了8件与7件专利;其他在8月公开了相关专利的企业还包括芬华氢能、苏州华昌、氢璞创能、亿华通等。

图2-2 燃料电池企业8月专利公开情况

2.3 科研院所(校)8月专利公开情况

燃料电池相关研究科研院所(校)在8月的专利公开情况如图2-3所示。其中,福州大学公开的相关专利较多,且有5件发明授权专利。从图中还可以看出,国内各个科研院所(校)在燃料电池电堆的专利公开较多,核心基础技术的研究是一直是国内科研院所(校)研究的重点。

图2-3 相关科研院所(校)8月专利公开情况

3、部分申请人及公开专利介绍

本月第3节将重点分析与燃料电池启动相关的专利,并对涉及到的主要申请人的专利技术分布情况进行简要介绍。

3.1 丰田公司

图3-1 丰田公司8月公开专利技术构成

2019年8月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利143件,主要涉及电堆、系统控制、热管理等技术分支。从技术分支上可以看出,丰田在燃料电池领域的上、中、下游都有一定的专利布局。

下文分析的丰田公司燃料电池启动相关专利的公开号为:US10381668B2、JP2019145382A、US10381666B2。

3.1.1 US10381668B2——低温起动时的急速预热控制

为提高燃料电池低温起动时的稳定性,常常利用燃料电池低效率运转产生的废热使其快速升温。例如,现有技术提到通过测量燃料电池起动时的阻抗和上次运转结束时的扫气空气量来确定燃料电池内剩余水量,根据测量结果执行停止燃料电池内冷却介质循环的操作并且让电池以低效率运转使得燃料电池快速升温。但燃料电池在低效率运转时如果需要输出的电压值较高或者起动温度过低,则燃料电池升温费时、阴极反应生成水增加,而且废热减少,会使得水发生再冻结而降低燃料电池内反应气体的扩散性,燃料电池输出的稳定性下降。

图3-2 US10381668B2运转控制处理顺序流程图

基于此,US10381668B2提出了一种通过抑制反应气体扩散性下降来提高燃料电池低温起动稳定性的控制系统。该系统的特点在于具有正常运转控制和急速预热控制两部分,这里重点介绍急速预热控制。燃料电池系统首先测得并储存起动时的温度并根据该温度得到要求发热量Qr,再根据外载需求的功率Pr确定V-I特性曲线上的通常动作点P0(Vref,Iref),该动作点下电池能产生的废热量为Q0=Iref×(V0-Vref),若燃料电池废热量Q0大于等于要求发热量Qr,则执行正常运转控制,反之执行急速预热控制。急速预热控制时,首先根据要求发热量Qr在等功率曲线得到对应电压值Va,然后根据起动时温度确定上限电压曲线,再根据燃料电池当前温度得到对应的上限电压值Vth,将对应电压值Va和上限电压值Vth作比较,按照两者中较小的那个作为控制反应气体量、冷却介质和电压的依据,因为电压越小,反应生成的水越少,有利于抑制气体扩散性能下降。从曲线图(图3-3右上)可以看出,燃料电池的实际工作点并不在其V-I特性曲线上,这是因为该控制系统通过改变空气压缩机的转速改变了氧化气体和氢气的配比,增大了燃料电池的废热来达到急速预热的目的,待燃料电池升温后再将氧化气体和氢气的配比调节到正常工作时的配比。

该控制方法的优点在于可以根据燃料电池的起动温度和当前温度进行不同目标输出的控制,尤其是可进行急速预热,起动温度越低,上限电压越小,废热量越大,预热燃料电池的时间变短,阴极生成水变少,因此可以抑制反应气体扩散性下降;当前温度越高,上限电压越高,燃料经济性越高。

图 3-3 目标动作点设定(左上:S140;右上:S170)与电压上限值映射说明图(下)

3.1.2 JP2019145382A——多个燃料电池单元协作时的异常类型判断

为确保足够的驱动力,常常采用多个燃料电池单元作为大型车辆的动力源,这些单元在接收到起动信号后同时起动为车辆提供动力。但当多个燃料电池单元协作出现异常时,无法判断是哪种异常,不利于对异常进行处理。

基于此,JP2019145382A提供了一种可以确定异常类型的燃料电池系统,该系统包括两个燃料电池单元,通过对两个燃料电池单元的状态是否一致来判断燃料电池系统是否发生异常。该专利将电池单元的工作状态分为四种,即无起动信号、正常行驶状态(燃料电池向驱动系统供电)、外部馈电状态(燃料电池系统向车辆以外的外部电源装置供电)和扫气过程(向气体流路供给燃料气体或者空气以清除气体流路的液态水)。其中,两个燃料电池单元分别设置控制单元分别用于检测燃料电池单元的状态,并由总体控制单元对两个燃料电池单元控制单元的状态进行比较。

图3-4 异常判断及通知流程图

判断燃料电池系统是否发生故障的过程如下:首先对比两个燃料电池单元控制系统的工作状态,当两个电池单元的工作状态相同或者经过一定时间后工作状态相同(考虑到通信系统延时),则判定燃料电池系统未发生异常。当两个电池单元控制系统反馈工作状态不同时,则总体控制单元进一步确定两个燃料电池单元是否接收到了不同的激活信号:如果是两个燃料电池单元接收到了不同的激活信号,则判断为发生了不需要更换部件的异常(即不是由于通信系统故障导致了系统异常),此时可以通过提示用户重新起动燃料电池系统来排除异常状态;如果是两个燃料电池单元接收到了相同的激活信号,但是却没有按照指令信号进行执行,则判断为发生了需要更换部件的异常(例如通信系统断线,需要更换信号线),并提示用户更换燃料电池部件。

3.1.3 US10381666B2——基于氢气压力的起动控制

燃料电池车辆上包含为燃料电池储存氢燃料的储氢罐,并且在氢气加注通道以及氢气供给通道分别设置了压力传感器用于检测氢气的压力。为了避免压力传感器失效,现有技术中在氢气加注后、第一次供氢时比较两个压力传感器的压力值,此时由于氢气第一次供应到燃料电池,理论上加注通道和供给通道的氢气压力相同,因此若两个压力传感器的值相同或者差值较小,可以认为两个压力传感器都未发生异常。然而采用这种检测方式,需要先将氢气供应到燃料电池进行首次发电后,才能通过供给通道检测压力传感器的值,也就是不能在燃料电池发电之前就对压力传感器是否发生异常进行检测,更不能根据压力传感器是否发生异常来控制燃料电池启动过程。

基于此,专利US10381666B2提出了一种基于氢气压力检测结果来决定是否允许起动的燃料电池控制系统。在现有技术的基础上,该专利进一步改进了燃料电池启动次序,仅当判定压力传感器未发生异常时,才控制燃料电池启动发电。此外,还进一步利用氢燃料供给通道的压力传感器对储氢罐的氢气存储量进行检测,当氢气存储量足够用于发电时,才启动燃料电池进行发电,若氢气存储量不足,则禁止燃料电池启动,从而减少电力消耗。

该系统的优点在于可以简单可靠的确定储气罐中氢气是否充足,且可以避免当氢气不足时的起动,减少不必要的能源浪费。

3.2 现代公司

图3-5 现代公司8月公开专利技术构成

2019年8月,现代公司在燃料电池领域共公开专利26件,主要涉及电堆、系统控制、动力系统等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池启动相关专利的公开号为:CN105564256B。

3.2.1 CN105564256B——起动控制方法及系统

搭载燃料电池的车辆在低温起动前需要对燃料电池进行预热,预热完成后才允许车辆起动,所以准确判断预热过程会对燃料电池的低温起动性能造成很大影响。现有技术通常通过预热时燃料电池排气口的温度或者燃料电池的发热量来判断预热是否完成。由于燃料电池可能存在电压不均,当排气口温度已经达到预定温度时,燃料电池的输出功率并不能满足驾驶者的需求,即过早的允许了车辆起动。且现有技术也未考虑混合式高电压电池对工作温度要求更严格、浸泡时间和燃料电池内结冰量对燃料电池状态的影响,也可能会出现过晚允许起动的现象。

基于此,CN105564256B提出了一种利用高电压电池的放电功率和燃料电池的可用输出功率来准确控制车辆起动的方法与系统。该控制系统具有用于感知外界温度的传感器,当判断为低温起动时,设定驱动车辆所需的功率(第一输出功率),然后开始对燃料电池进行预热并且实时测量电堆性能以估计燃料电池可输出的可用功率,然后从电池管理系统接收高电压电池的放电功率,当可用功率与放电功率之和(第二输出功率)大于驱动车辆所需的功率时,则允许车辆启动。这种方法的优点在于实时将可用功率与放电功率之和与驱动车辆所需的功率作比较,一旦满足起动条件,则可允许车辆起动,能有效的防止不必要的起动延迟,提高燃料电池的低温起动性能。

图3-6 燃料电池车辆起动控制流程图

3.3 大众公司

图3-7 大众公司8月公开专利技术构成

2019年8月,大众公司在燃料电池领域共公开专利24件,主要涉及电堆、热管理、动力系统等技术分支。

下文分析的大众公司燃料电池启动相关专利的公开号为:DE102018201253A1。

3.3.1 DE102018201253A1——优化低温起动性能的燃料电池系统

燃料电池车辆在低温(低于0℃)环境下启动时,系统反应生成的水容易结冰,冰会填充膜电极上的孔隙,使得电化学反应降低甚至停止,影响电堆的低温启动性能(问题一)。现有技术通常通过控制氧化气体的供给量,使得燃料电池以低效率运行,以产生更多的废热来加热燃料电池系统;然而,当氧化气体不足或者耗尽时,阴极侧废气中的氢浓度会上升并超过规定的安全值(问题二)。对此,现有技术中使用以氧化气体流通过旁通管路的方式来稀释氢浓度过高的阴极废气。此外,在低温环境下,二次电池的效率通常不高,若系统没有设置加热电路,且又因为燃料电池始终以低效率运行,那么二次电池的温度始终偏低,从而会影响其寿命和性能(问题三)。

图3-8 DE102018201253A1燃料电池系统

针对上述三个问题,DE102018201253A1提出了一种优化低温启动性能的燃料电池系统。首先,燃料电池车辆可根据温度计或者天气预报来判断燃料电池系统是否处于低温环境下,若处于低温环境下,则此时燃料电池系统的启动为低温启动;在低温启动的第一阶段中,空气压缩机以低于实际化学计量比向电堆供给氧化气体,当氢传感器检测到阴极废气中氢浓度达到了极限值时,第一阶段结束并进入第二阶段;在第二阶段中,增加阴极的氧化气体供应量,从而实现阴极气体中氢浓度的稀释,当氢传感器检测到阴极气体中氢浓度低于设定值时(极限值的40%-95%之间),则返回第一阶段,并在第一阶段和第二阶段来回运行,直到燃料电池中产生的热量足以使水不会结冰时,燃料电池结束低温启动阶段并以正常运行状态进行运作。

此外,由于在低温启动第一阶段,燃料电池的运行效率较低,空气压缩机在压缩空气时需要二次电池来提供能量供给,因此二次电池放电。在第二阶段中,空气压缩机以最大功率的75%-100%来运作以实现对阴极废气氢浓度的快速稀释;同时,在此阶段,空气压缩机由电堆进行供能,二次电池在此阶段可被充电,因此二次电池的温度可得到提升,从而保障了二次电池在低温环境下的性能和寿命。

3.4 其他燃料电池启动公开专利信息一览

     

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