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2021.07 燃料电池领域专利公开详情

导读:

各位读者大家好,2021年7月燃料电池全球专利监控报告全新发布~本期监控报告主要内容包括三个部分,分别为:

1、2021年07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、部分技术分支公开专利介绍,主要涉及系统控制相关专利解读以及双极板相关专利简介。其中,系统控制解读专利主要涉及丰田公司阴极“泵氢”量计算及降低排气氢浓度、防止燃料电池发生交叉泄漏时电压过度下降,韩国FCI燃料电池组分布式控制器管理方法,苏州弗尔赛燃料电池低温启动控制方法,青岛中车四方多堆燃料电池能量管理方法。

一、 整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2021年7月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1398件,较上月公开数量(1605件)减少较多。本月,中国地区专利公开数量932件,其中发明专利申请公开479件,发明专利授权公告共200件,实用新型授权公告共215件;美国公开专利数量为102件,韩国和日本的专利公开数量均为85件。部分国家/地区/组织公开数量情况如图1-1所示。

专利info | 燃料电池领域全球专利监控报告(2021年07月)

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

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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84件,其中发明专利授权公告49件、发明申请专利公开35件;格罗夫公开专利55件,包括发明申请专利23件、实用新型专利授权公告16件;博世公司公开专利42件,其中发明申请专利公开38件;大众公司(含奥迪公司)公开专利31件、德普电气公开专利26件、可隆工业公开专利21件;中科院大连化物所和现代公司均公开专利20件,亿华通公开专利19件;LG公司、日产公司、上海神力、一汽解放均公开专利15件;松下公司、未势能源公开专利14件;本田公司、清华大学均公开专利13件。

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图1-3 标准化申请人专利7月公开/授权排名

在加氢相关专利中,液空厚普氢能公开了一种加氢站分级报警系统,该报警系统通过不同的控制PLC和安全PLC对站点内各单元进行检测和监控,使得检测的界限更加明确,划分更加清晰,同时可根据不同的安全事件采用不同的安全等级,提高加氢站安全性。

河南豫氢公开了一种氢燃料电池汽车加氢站用撬装式氢气压缩系统,该氢气压缩系统通过设置进气缓冲装置和出气缓冲装置,可有效减小脉冲、稳定气流以及降低构件承受的循环载荷;同时该系统还设置有氢气内循环管路系统,可在压缩机后端短暂停止供气的情况下,通过内循环来避免压缩机的频繁启停,进而延长电动机的使用寿命。

氢枫能源公开了一种具有泄气检测功能的氢气加注装置,该加氢接头的加氢管内设有滑套、第一弹性件和环形卡块,第一弹性件可推动滑套将受氢管上的卡块卡于滑套之间,防止受氢管从加氢接头上脱落;滑套的一端部为喇叭形,受氢管的端部为锥形,受氢管可嵌入滑套端部内,从而使滑套和受氢管气密性连接,防止氢气泄露。

海德利森公开了一种加氢设备冷却系统,通过设置工业冷冻冷水机来对输入缓冲管进行冷却,提高了液压气泵的效率。

北京理工大学前沿技术研究院公开了一种加氢站选址方法及系统,该方法通过根据车辆数据确定多个加氢需求位置,根据各加氢需求位置之间的距离,利用燃料电池汽车与各拟建立加氢站位置之间的引力模型确定加氢站位置,降低选址的主观性。

2.  国内申请人专利公开情况

2.1 燃料电池企业7月专利公开情况

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图2-1 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2-1所示。其中,德普电气公开专利26件,主要涉及氢燃料电池发动机测试装置、供氢装置、氢气循环装置、散热装置以及尾气回收利用装置;亿华通公开专利19件,主要涉及氢引射器、排水及暖风系统、防喘振空气系统以及吹扫控制等;上海神力公开专利15件,主要涉及膨胀石墨板制备、电堆封装与测试、歧管装置以及膜电极活化方法等;未势能源公开专利14件,主要涉及氢气瓶瓶阀、膜电极气密性检测、排水装置以及供氢系统气体泄漏检测方法等;氢枫能源、上海氢晨、潍柴动力均公开专利11件,其中上海氢晨公开专利主要涉及双极板、集流板、端板以及碳纸透气率测试工装等。

国富氢能公开专利10件,包括与张家港氢云共同申请的9件专利,主要涉及高压氢瓶制备工艺、加氢机、氢气增压系统等;嘉寓氢能公开专利9件,主要涉及加氢站加氢预冷系统、氢气加注方法、质子交换膜材料制备以及碳纸制备等;启明氢能公开专利9件,主要涉及氢气运输装置;上海电气公开专利8件,主要涉及空气供应系统、气体扩散层改性复合材料、端板涂层等;嘉资新材料、宁波瑞东技术转移、永安行均共公开专利7件;阿雷斯氢能、国电投氢能、山东东岳、上海重塑均公开专利6件;春江阀门、格力电器、恒劲动力、科威尔均公开专利5件;大同新研氢能、大洋电机、锋源氢能、河南豫氢、隆深装备均公开专利4件;氢储能源公开专利3件,阜新德迩公开专利2件。

2.2 国内整车厂7月专利公开情况

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图2-2 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2-2所示。其中,格罗夫公开专利55件,主要涉及燃料电池汽车结构件及配件、重卡空压机控制、供氢系统等;一汽解放公开专利15件,主要涉及复合材料双极板制备、双极板成型方法、改性碳载体制备、冷启动方法等;东风汽车公开专利7件,主要涉及高压供氢系统、空气湿度调节系统、尾气处理系统等;奇瑞汽车公开专利6件,主要涉及车载储氢系统安装结构、储氢罐固定框架以及防护系统、汽车热管理系统等;北汽福田、飞驰汽车、中国一汽均公开专利4件,其中飞驰汽车公开专利主要涉及车辆氢气输出系统与氢气泄漏检测、散热系统故障检测方法、功率半跟随式燃料电池混合动力汽车能量管理方法;广汽集团公开专利3件,江淮汽车、宇通客车、吉利汽车均公开专利2件,金龙汽车、上汽集团、一汽大众均公开专利1件。

2.3 科研院所(校)7月专利公开情况

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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。大连化物所公开专利20件,主要涉及抗反极催化剂制备、电解质膜制备、气液分离器等;清华大学公开专利13件,主要涉及等高压气体密封检测系统、停机吹扫方法、加氢站热管理系统以及自支撑有序结构膜电极制备等;电子科技大学、吉林大学均公开专利11件,其中电子科技大学公开专利主要涉及固定式无人机空冷燃料电池动力系统、电堆主动控温装置以及催化层制备(通过施加磁场方式提高催化层孔隙率)等;武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司公开专利8件,主要涉及质子交换膜以及气体扩散层制备、燃料电池电压巡检装置、电堆结构等;武汉理工大学公开专利7件主要涉及氢气回收装置、分配歧管、储氢瓶塑料内胆成型方法;大连海事大学、同济大学、西安交通大学均公开专利6件,其中同济大学公开专利主要涉及燃料电池运行控制方法、空气供应冷却系统、分层式石墨复合双极板加工系统等;北京化工大学、大连理工大学均公开专利5件;合肥工业大学、内蒙古大学、南京工业大学均公开专利4件。 

3.  部分技术分支公开专利介绍

3.1 系统控制相关专利介绍

3.1.1 丰田公司 CN113140761A 阴极“泵氢”量计算及降低排气氢浓度

在低温环境下对燃料电池进行启动时,通常需要执行低效率运转以对燃料电池进行预热。在燃料电池运转过程中,氢离子、电子和氧在阴极处结合而生成水。但在低效率运行过程中,由于阴极空气流量不足,移动至阴极的氢离子会与电子结合生成氢,此种现象称为“泵氢”。另一方面,由于供给的空气流量变少,存在排气稀释不充分使得排气氢浓度变高的问题。此外,空气流量减少还会使得生成水无法顺利排出,造成空气流路堵塞,进而使燃料电池发生劣化。因此,需要对排出空气的氢浓度进行检测,并通过执行相应操作以减少“泵氢”量、降低排气氢浓度。

基于此,丰田公司提出了一种“泵氢”量计算方法,该方法通过使用发生电压下降的单电池数量来高精度计算排气氢浓度,并通过执行相应操作以减小“泵氢”量、降低排气氢浓度。详情如下。

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燃料电池系统如上图所示,当燃料电池在低温环境下执行预热运转时,控制部开始执行单电池块数计算处理,并对产生“泵氢”的单电池数量Nh进行推断计算。控制部根据当前温度以及扫描电流(通过DC/DC,燃料电池引出的电流)来设定第一电压阈值Vs1,控制部利用电压传感器对电堆各单电池的电压进行检测,当检测到的单电池电压低于第一电压阈值Vs1时,推断该单电池发生“泵氢”。

当计算出发生“泵氢”的单电池数量Nh时,控制部判断是否能够进行排气氢浓度推断。当出现下述情况时,不能够进行排气氢浓度推断计算,如单电池电压的绝对值为基准值以下、当前温度为基准值以下、空气流量的绝对值为基准值以下、输出电流的绝对值为基准值以下等。反之,则可进行排气氢浓度推断计算。

氢浓度Ch推断计算可参考下列公式:

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在执行预热运转过程,由于温度上升、冻结水融化,使得燃料气体供给量增加,单电池电压大幅度上升。存在即使单电池发生了“泵氢”现象,其电压实测值也大于第一电压阈值Vs1,因此容易将实际发生“泵氢”的单电池误判为未发生“泵氢”的单电池。另外,参考下图,在扫描电流0A附近,相对于燃料电池温度的变化,输出电压变化量较小,因此,即使是微小的检测误差,也容易将实际上未发生“泵氢”的单电池误判为发生“泵氢”的单电池。基于上述情况,需要通过设定修正系数CF来保证“泵氢”量Vh的计算精确度。

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控制部将利用电流传感器检测到的当前电流值代入扫描电流I计算出的氢浓度Ch设定为第一推断氢浓度值Ca;同时,控制部计算在当前温度下的目标电流对应的排气氢浓度Ch,并将此条件下的称为第二推断氢浓度值Cb。由于存在燃料电池内部冻结水未完全融化的情况,使得扫描电流与目标电流不一致,因此需要分别针对Ca、Cb进行浓度判断,以可靠地执行在排气氢浓度高时的氢浓度减小处理。当存在Ca、Cb浓度值≥浓度阈值时,均需执行氢浓度减小处理。系统可通过执行将燃料电池的动作点变更为高效率动作点、将总空气流量Va增加等动作来减小氢浓度。

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3.1.2 丰田公司 JP6911716B2 防止发生交叉泄漏时电压过度下降

如果在电堆停止发电后一段时间内发生交叉泄漏(即阳极气体渗透至阴极侧),由于此时供应至阴极的气体流量减少,阴极气体压力降低,电池电压会迅速发生下降。在这情况下,即使在检测到交叉泄漏后增加阴极气体流量,也无法及时恢复电池电压,甚至可能会使降电压快速下降到使电池发生劣化的电压值。因此,需要一种防止电压过度下降的技术。

基于此,丰田公司提出了一种防止电压过度下降的控制方法。当控制器判断交叉泄漏发生时,将目标电压设置为较高的值来执行阴极气体供应控制(当燃料电池平均电压低于目标电压时,增大供应阴极气体的流量),使得阴极气体流量在较早的时间点处增加,防止电池电压过度下降。详情如下:

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燃料电池系统如上图所示,当燃料电池系统执行“零所需输出操作”时(“零所需输出操作”又称为“间隙操作”,在该操作下,允许电堆生成小电流,以防止单电池电压等于开路电压;或是将电堆生成的电力充电至二次电池,不用于驱动负载),控制器可通过控制分流阀36的开度来降低供给至电堆的阴极气体流量或者停止空压机运转以停止阴极气体供应。

然后,控制器判断是否发生交叉泄漏。判断交叉泄漏发生的条件可包括:阳极气体压力高于预定压力阈值;在执行“零所需输出操作”之前,燃料电池生成电力≥预定电力阈值;电堆温度高于预定温度阈值;阳极气体压力与阴极气体压力之间的差值高于预定阈值等。当判断未发生交叉泄漏时,控制器将目标电压Vm确定为参考目标电压Vref,Vref为允许燃料电池系统无响应延迟地从“零所需输出操作”返回至正常操作的电压值;当判断发生交叉泄漏时,控制器将目标电压Vm确定为Vup,Vup>Vref。

同时,控制器获取电堆的平均电池电压Vfc,若平均电池电压Vfc低于目标电压Vm,则增加阴极气体供给流量,直达平均电池电压Vfc大于目标电压Vm;若平均电池电压Vfc大于目标电压Vm,则可继续降低阴极气体供给流量,并重新获取降低供应流量后的电堆平均电池电压Vfc,并重新将电堆平均电池电压Vfc与目标电压相比较。

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参照下图,当燃料电池系统从正常操作切换至“零所需输出操作”时,在可能发生交差泄漏的情况下,平均电池电压Vfc迅速下降,如果Vfc过度下降可能使得燃料电池性能发生劣化。在发生交叉泄漏时,通过将目标电压Vm设置为比参考目标电压Vref高的值Vup,可在较早的时间点t1处开始供应阴极气体,防止平均电池电压过度下降。

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3.1.3 韩国FCI CN113196535A 分布式控制器管理方法

燃料电池可作为分布式电源为建筑物供电、对电网进行调峰等。随着市场对高容量燃料电池需求的增加,需要提供一种通过连接多个燃料电池来满足用户所需电量的系统。在现有系统中,当用于控制连接多个燃料电池的控制器发生异常时,会导致多个燃料电池工作停止,很难做到有效、高效管理系统。

基于此,韩国FCI提出了一种燃料电池控制系统,通过采用分布式控制器并对其进行分组,分配各自承担的工作职责,使得当分布式控制器中发生异常时,也能够使单个燃料电池进行工作。详情如下。

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燃料电池控制系统如上图所示。单位级控制器100可基于燃料、空气、水中的至少一个控制变量来控制单个燃料电池(SOFC)的输出;组级控制器200从单位级控制器接收并收集控制变量和监视变量,该级别控制器用于控制燃料电池组的阀门、切断器等设施,可基于燃料电池组内单个电池的性能下降率,确定燃料电池组内单个电池的输出分配;系统级控制器可根据用户端或者电网的电力需求确定燃料电池系统的总输出,并根据总输出确定单个电池组的输出分配。

针对各控制器中发生异常时的控制方法如下:首先组级控制器和系统级控制器可周期性地判断单位级控制器中是否有错误发生,当单位级控制器中有错误发生时,组级控制器可停止由错误单位级控制器控制的单个燃料电池的输出;当单位级控制器未发生错误或者针对错误单位级控制器执行操作完毕后,系统级控制器可判断组级控制器中是否有错误发生,连接在该错误发生组级控制器的单位级控制器将单个燃料电池的输出设定为最终输出值并维持其输出,即曾经由组级控制器控制的单个燃料电池仍能正常工作;当针对组级控制器判断完毕后,则可判断系统级控制器有无发生错误,若系统级控制器发生错误,则将组级控制器所连接的燃料电池组的输出设定为最终输出值并维持其输出,同时通过用户界面发出控制系统错误告警,并以自错误模式运行控制系统。

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在针对单位级控制器以及组级控制器错误判断中,还可进一步判断发生错误的单位级控制器/组级控制器数量。当发生错误的单位级控制器/组级控制器数量在允许范围内,则执行前述控制策略。当错误控制器超出允许数量范围,则可伴随执行由使用者修复的过程,在预设修复时间之后判断是否仍能感知到错误。若未感知到错误,则使相应单元正常工作;若仍感知到错误,则控制正常的单位级控制器/组级控制器所控制的单个燃料电池/燃料电池组的输出,可通过增加剩余单个燃料电池/剩余燃料电池组的输出电量,维持系统稳定输出。

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3.1.4 苏州弗尔赛 CN113140749A 燃料电池低温快速启动控制方法

当燃料电池启动温度在零摄氏度以下时,反应生成水会在内部发生冻结,堵塞反应气体进气通道,阻碍局部区域正常化学反应进行;同时,液态水发生冻结会损坏燃料电池内部结构,使得燃料电池低温启动失败或者导致燃料电池发生损坏。

基于此,弗尔赛提出了一种燃料电池低温快速启动控制方法,可克服燃料电池在低温环境下启动困难或者无法启动的缺陷。详情如下:

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燃料电池系统如上图所示,该系统设置有用于流通循环冷却液的辅助加热冷却回路(冷却回路a)和散热冷却回路(冷却回路b)。当燃料电池启动时,首先获取冷却液的初始温度值T2,当冷却液初始温度T2小于冷启动预设阈值T1时,燃料电池执行低温快速启动控制策略,冷却液仅通过辅助加热冷却回路进行循环流通,不流经散热冷却回路。辅助加热冷却回路通过PTC加热器对冷却液进行加热,通过提高冷却液温度来提高燃料电池运行温度,实现燃料电池快速冷启动。

在低温快速启动操作中,还可调节尾排比例阀,使尾排空气循环利用,通过降低燃料电池氧气浓度从而增大氧化还原反应的过电势,使燃料电池快速产热,缩短冷启动时长。

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3.1.5 青岛中车四方 CN110962693B 多堆燃料电池能量管理

多堆燃料电池由几个低功耗的燃料电池系统组成,可满足大功率以及长途车辆使用。多堆燃料电池在提高燃料电池系统功率等级和能量输出的前提下,可保证系统的冗余性,并为燃料电池的降级运行以及故障电池及时更换提供了可能性。目前有采用一致性控制算法来对多堆燃料电池进行寿命一致性评价,然而一致性控制算法的反馈系数与通信网络矩阵均对收敛速度有影响,需要离线对算法的关键参数进行最优化设计,否则无法使得一致性算法在线收敛速度达到全局最优,进而无法最大程度地延长整个多堆燃料电池的寿命,影响多堆燃料电池的安全性和稳定性。

基于上述情况,中车青岛四方提出了一种多堆燃料电池控制方法,该控制方法基于当前时刻相应电堆的老化程度及下一时刻需求功率的改变量来为各电堆分配下一时刻的功率变量,以使多堆燃料电池的老化程度趋于一致。在满足系统功率消耗的同时,最大程度保障了输出功率平滑,降低了因功率波动引起的寿命损耗,延缓了性能较差电堆的使用寿命。详情如下。

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多堆燃料电池如上图,燃料电池组和蓄电池分别经Boost单向DC/DC变换器以及双向DC/DC连入母线,并为负载提供电力。

在多堆燃料电池的启动时间段内(5ms),将当前需求的功率平均分配至个电堆,该操作可使各电堆运行效率最高且保持各电堆稳定;在多堆燃料电池启动后的运行时间内,控制器获取各电堆的输出电压大小,通过将各电堆当前输出电压与理论输出电压进行比较,计算出各电堆的衰减因子,并通过衰减因子来说明电堆的老化程度。控制器根据各电堆老化程度以及下一时刻需求功率的改变量来分配各电堆下一时刻的功率变量。各电堆下一时刻的功率变量为:相应电堆的衰减因子与所有燃料电池电堆衰减因子之和的比值,再与下一时刻需求功率的改变量的乘积。

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另外,为了确保各电堆正常工作,需要保证各电堆工作在限制区间内。若电堆实际输出功率超出其最大输出功率或是低于其最小输出功率,则以最大输出功率或是最小输出功率进行输出;若系统所需功率大于零,则按照上述功率分配方法进行功率分配;若系统实际所需功率大于各电堆输出功率总和,则功率差额由蓄电池进行补偿;若系统所需功率小于零,则系统产生的额外能量由蓄电池进行吸收。

3.2 双极板相关专利一览

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