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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年12月)

导读

各位读者大家好,2020年12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12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,具体专利技术包括丰田公司维持燃料电池可启动状态、抑制燃料电池系统停止时异常电压的产生;现代公司通过去除氧化膜来恢复燃料电池堆性能;清华大学提出一种燃料电池使用寿命和剩余寿命的预测方法;检测检验部分公开专利概览等。




一、整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

       2020年12月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1237件。本月,中国地区专利公开数量较上月(698件)而言有一定增加,其中发明申请公开数量与发明授权公告数量与上月接近,实用新型专利公告数量增加较多;另外,韩国发明申请专利公开数量较上月(26件)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。

专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年12月)

图1-1 部分地区燃料电池专利12月公开/授权情况


1.2 专利技术分支情况

专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年12月)


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69件,数量较上月有一定下降,其中发明申请和发明授权专利数量分别为27件、42件;格罗夫公开专利54件,其中实用新型专利共计34件;现代公司公开专利38件,LG公司公开专利24件;博世公司和松下公司均公开专利14件,东风汽车和雄韬氢雄均公开专利13件。

专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年12月)

图1-3 标准化申请人专利12月公开/授权排名

在燃料电池水管理方面,上汽集团提出了一种用于阴极空气增湿的膜增湿器,该膜增湿器通过若干膜管阵列排布在壳体内部的方式来增大干、湿空气交换面积,减少空气内漏损失,提高空气加湿效率;国鸿氢能提出了一种水管理系统,通过对燃料电池工作时的气体进出口进行切换,改变燃料气体的流动方向,以解决燃料电池阴极出口出水量过多导致的“水淹”问题;亿华通提出了一种水管理系统,通过控制排氢阀排水来有效去除液态水。




二、国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂12月专利公开情况


图2-1 整车厂12月专利公开情况

       国内整车厂在12月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利54件,主要涉及氢燃料电池汽车相关技术,如氢能汽车座椅、门槛梁等结构件、热管理、动力系统测试台架、语音控制等;东风汽车公开专利13件,主要涉及双极板亲疏水涂层、氢气检测、热管理系统、冷却模块总成以及电堆快速封装密封结构等;中国一汽公开专利7件,主要涉及电堆歧管总成、气体扩散层连续制备装置、燃料电池密封性能测试以及加湿系统等。奇瑞汽车公开专利5件,主要涉及客车氢气瓶固定框架结构、加氢增压装置以及能量管理系统等。其他在12月公开相关专利的整车厂还包括上汽集团、佛山飞驰客车、广汽集团、长城汽车、金龙汽车、宇通客车、中通轻客以及江铃汽车等。


2.2 燃料电池企业12月专利公开情况


图2-2 燃料电池企业12月专利公开情况

       国内燃料电池企业在12月的专利公开情况如图2-2所示。其中,雄韬氢雄公开专利13件,主要涉及金属双极板制备、燃料电池发动机散热系统、空气双并联进气装置等;国鸿氢能公开专利12件,主要涉及电堆组件,包括集流板、一体化密封的膜电极结构、石墨双极板成型等;格力电器公开专利11件,主要涉及双极板、空气过滤装置、散热装置等;液空厚普公开专利11件,主要涉及加氢、储氢技术,包括氢气压缩撬装设备、加氢站双压缩机以及加氢站管路系统等;无锡先导智能装备公开专利10件,主要涉及电堆转运、叠片装置,膜电极制备装置等;亿华通公开专利10件,主要涉及燃料电池氢气系统、快速低温启动、氢气瓶固定结构及固定装置、热管理以及水管理系统等。其他在12月公开相关专利的企业还包括风氢扬、恒劲动力、河南豫氢、未势能源、常州翊迈、德普电气、上海捷氢等。

 

2.3 科研院所(校)12月专利公开情况


图2-3 燃料电池科研院所(校)12月专利公开情况

       燃料电池相关科研院所(校)在12月的专利公开情况如图2-3所示。其中,中科院大连化物所公开专利15件,主要涉及质子交换膜制备、催化层树脂含量在线测试方法、金属复合密封垫等;武汉理工大学公开专利13件,主要涉及流场板结构、疏水性碳纸制备、电堆冷却系统等;清华大学、上海交通大学、西安交通大学均公开专利7件,其中清华大学相关专利主要涉及膨胀石墨双极板、燃料电池寿命预测、薄膜电极测试设备、DC/DC测试系统等。其他在12月公开相关专利的科研院所(校)还包括山东大学、重庆大学、北京理工大学、同济大学、大连理工大学、中科院宁波材料所、北京化工大学等。


 

三、部分申请人及公开专利介绍

3.1 丰田公司

       2020年12月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利69件,主要涉及电堆、系统控制、检验检测等技术分支。下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为JP2020205168A、JP2020205208A。其中JP2020205168A涉及维持燃料电池系统的可启动状态;JP2020205208A涉及抑制燃料电池系统停止时异常电压的产生。


3.1.1 JP2020205168A——维持燃料电池系统的可启动状态

       目前,配备有燃料电池系统的叉车、牵引拖拉机等工业车辆已投入实际使用。然而,当不经常使用这种工业车辆时,或者在辅助电池放电量大于充电量的状态下频繁使用该类车辆时,可能导致辅助电池电压下降,并使得燃料电池系统无法正常启动。基于此,丰田公司提供一种自动检测辅助电池状态并对其进行充电的方法,以保障燃料电池系统的正常启动。具体为:

图3-1-1 JP2020205168A燃料电池系统

       燃料电池系统如图3-1-1所示,包括电堆115、控制单元111、操作单元130、辅助电池118等。首先,燃料电池控制单元确定当前时间是否为检测辅助电池118的时刻。当燃料电池控制单元确定当前时间为检测辅助电池118状态的时刻(S101),开始确认操作数据中是否包括最新记录(S102)。其中,操作数据涉及燃料电池启动之前,辅助电池的预启动电压与时间信息;最新记录是指在过去预定天数(如5-10天)的记录。当确认操作数据中包括最新记录时,若控制单元确认到最新记录中的辅助电池预启动电压≤预定阈值,则开始比较每个工作日辅助电池的充电量以及放电量(S103)。当确认辅助电池在放电量大于充电量的状态下,连续工作日为m天(m可设定为2-3天)以上时,控制单元参考保留在操作数据中的辅助电池特性信息来计算出辅助电池的需充电时间(S107)。此时,控制单元将燃料电池系统从非工作状态改变为工作状态,并通过DC/DC(116B)输出端来对辅助电池进行充电(S108、S109)。当充电时间经过预计时间后,停止燃料电池发电,并将充电信息记录在操作数据中。通过定期检查辅助电池的状态,即使在非工作状态下也可根据需要启动燃料电池来对辅助电池进行充电,以防止辅助电池电压下降到最小可用电压以下,使燃料电池系统保持可启动状态。

 

3.1.2 JP2020205208A——抑制燃料电池系统停止时异常电压的产生

      在燃料电池系统中,为了抑制系统停止时异常电压的产生,通常在系统停止时供给规定量的氢气。关于氢气的供给量,现有技术中有采用最低预期的氢分压来确定,然而此种方式存在供给过量氢气的风险,使得氢气燃料减少。为了减少燃料消耗,丰田也考虑过供给固定量的氢气,但此种方法使得异常电压发生频率增加。基于此,丰田公司提出一种异常电压检测和氢气供给方法,当燃料电池系统停止时,若检测到异常电压,则增大氢气的供给量。具体如下:

图3-1-2 JP2020205208A燃料电池系统

       燃料电池系统包括电堆10,控制单元20,阴、阳极气体供给单元30、50,控制单元20,异常电压检测单元22,电压测量单元83等。当燃料电池系统停止运行时,控制单元20首先估计阳极气体分压(S200)。阳极气体分压可根据阳极压力计56测量到的阳极压力减去除阳极气体以外的气体分压来计算获得。接下来,控制单元20确定是否存在异常电压标志ON(S210)。异常电压检测单元22可根据电压测量单元83获取到的电堆输出电压大小来判断是否存在异常电压。当电堆输出电压高于预定阈值时,则判定存在异常电压,并将异常电压标志ON记录在存储器中。异常电压检测在燃料电池停止运行时同步进行。当存在异常电压标志ON时,控制单元20将阳极气体分压的目标值增大(S220)。然后控制单元20确定在S200中估计的阳极气体分压是否大于设定的目标值(S230)。当阳极气体分压≤设定的目标值时,供应阳极气体(S240);当燃料电池阳极气体分压大于设定的目标值时,不供应阳极气体。即,设定的目标值越大时,供应的阳极气体越多。此外,还可根据阳极气体的剩余量来决定具体供给量。最后,在步骤S250中,控制单元20控制燃料电池系统100停止。经过上述处理,可以在不过度增加氢供给量的情况下抑制停机时异常电压的发生次数。

图3-1-3 抑制停机时异常电压产生的控制流程图



3.2 现代公司

      2020年12月,现代公司在燃料电池领域共公开专利38件,主要涉及电堆、系统控制、空气系统等技术分支。下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为CN112018412A。CN112018412A主要涉及燃料电池堆性能恢复。


3.2.1 CN112018412A——燃料电池堆性能恢复控制系统与方法

      燃料电池堆在工作特定时间后,其性能会发生下降。特别是当电堆阳极处的氢离子穿过电解质膜迁移至阴极,与阴极氧发生电化学反应(氧还原反应),使得产生的氧化膜覆盖在阴极催化层的铂催化剂表面上,导致催化剂活性面积减少并使发电效率降低。基于此,现代公司提出了一种燃料电池性能恢复控制系统及方法,通过检测是否存在氧化膜以及执行去除操作,使得燃料电池堆恢复性能。具体为:燃料电池系统如图3-2-1所示,包括电堆10、控制器50、阴极气体供给单元2a、阳极气体供给单元2b、逆变器30等。

图3-2-1 CN112018412A燃料电池系统

      在燃料电池运行过程中,首先控制器根据逆变器转换的电力输出值来判断燃料电池性能是否出现下降以及是否需要执行氧化膜去除;当控制器获取到经逆变器转换的电力输出值≤预定值时,控制器判断燃料电池性能发生下降,此时需要执行氧化膜去除。为了去除氧化膜,需要在燃料电池产生电力电压下降的条件下,将催化层的电化学反应从氧化反应区过渡到还原反应区。因此,当执行氧化膜去除时,操作阀20以阻止阴极燃料气体的供给与排出,并同时将氢气供应至燃料电池阴极从而去除在铂催化剂表面上形成的氧化膜。在去除氧化膜期间,控制器同时阻止将逆变器转换后的电力供应至外部场所,以使燃料电池在该期间产生的电力在逆变器处消耗,防止电池过充电。当执行去除氧化膜操作后,控制器通过电压传感器获取燃料电池产生的电力电压值,当产生的电力电压值≥预定参考电压值时,重新供应阴极燃料气体,并且控制器重新配置逆变器以将逆变器转换后的电力供应至外部场所。

图3-2-2 燃料电池堆性能恢复控制流程图



3.3 清华大学

      2020年12月,清华大学在燃料电池领域共公开专利7件,主要涉及电堆、检验检测技术分支。下文分析的清华大学燃料电池相关专利的专利公开号为CN108872872B。CN108872872B涉及燃料电池寿命预测。


3.3.1 CN108872872B——燃料电池使用寿命和剩余寿命的预测方法及装置

      现有技术关于燃料电池的寿命预测方法一般都是针对电压衰减的寿命预测,而针对电流衰减的寿命预测则很少。而且,目前的寿命预测方法一般多针对质子交换膜燃料电池,很少出现适用于多种类型燃料电池的寿命预测方法。基于此,清华大学提出一种适用于质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和固体氧化物燃料电池的使用寿命和剩余寿命预测方法,该预测方法采用定电压下的电流(功率)衰减率特性来预测出燃料电池的寿命。具体如下:

首先,定义燃料电池定电压下电流(功率)的衰减百分率确定寿命终结点,将燃料电池定电压下电流(功率)的衰减百分率为X时,定义为燃料电池寿命终结点。然后对燃料电池进行活化,活化期间若出现膜电极损坏、毒化等现象,则需要更换燃料电池并重新进行活化。活化结束后,测试燃料电池极化曲线作为初始极化曲线(曲线1),同时在初始极化曲线上确定两个不同的点R和E,其分别对应不同的电压Vr、Ve和电流Ir、Ie。

图3-3-1燃料电池不同运行时间的极化曲线

      在燃料电池运行预设时间后,测量出此时燃料电池的极化曲线(曲线2),计算出定电流(如Ir)下的电压衰减速度A,并在此时极化曲线上确定相应定电流和定电圧下的两个点a和b,其分别对应电压Va、Ve和电流Ir、Ib。曲线2为燃料电池老化过程中的参考性能曲线,根据之前曲线1上确定的两个点,在曲线2上确定了相应定电流和定电圧的两个点,可为之后的寿命预测提供数据支持。在测试出极化曲线2后,获取燃料电池的电压衰减速度或者电流衰减时间常数,并通过预测公式获取燃料电池的使用寿命和剩余寿命。预测公式详情见下图,在已知燃料电池已使用时间ta时,可直接使用公式(2)-(5)来分别预测燃料电池的使用寿命和剩余寿命。


图3-3-2 燃料电池寿命预测流程图

      通过将定电圧下电流(功率)的衰减率特性运用于燃料电池使用寿命预测,只需测量两次不同时间段内的燃料电池极化曲线,即可快速预测出燃料电池寿命,大幅降低预测寿命成本,并保证了预测的准确性和宽适用性。 




3.4 检测检验部分公开专利一览




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