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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2019年7月)

燃料电池专利情报 2019-08-28 10:49 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分析,主要涉及燃料电池系统控制相关专利的分析。


1.整体情况介绍

1.1 专利公开国家情况

2019年7月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1367件,其中发明申请公开733件,发明授权499件,较上月增加150余件。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7月公开/授权情况


由上图可知,2019年7月在燃料电池领域专利公开数量方面,大致可以分为五个梯队,中国以明显的数量优势占据第一位;日本和美国居于第二梯队;EPO(欧洲专利局)、韩国位于第三;第四梯队有德国、WIPO和中国台湾;第五梯队的国家/地区/组织在7月的专利公开数量小于十件。相较6月,中国公开专利的各类型数量变化不大,日本的发明授权数量有明显增加,美国的发明申请和发明授权数量都有较大增长,EPO和韩国的专利公开数量也保持稳定,这说明在燃料电池领域专利申请人的积极性相对较高。


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、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713项。这是因为电堆作为燃料电池的核心,涉及的组件很多,例如双极板、膜电极和催化剂等等,还包括电堆相关组件的制造设备、电堆的密封和绝缘等。


图1-2 燃料电池专利7月公开/授权的技术分布


除此之外,燃料电池热管理方面的专利公开数量较6月有所增加,关于燃料电池的检测和控制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136件遥遥领先,发明申请公开79件,发明授权公开55件,发明授权较6月有较多增加;现代和日产专利公开数量分别为44件、38件;本田则从6月的十余件增加至39件跃居第三。从近四个月的公开数据来看,日韩整车厂的专利公开量一直稳居申请人排名前列,同时有一定数量的发明专利授权,可见在燃料电池领域,日韩整车厂的技术实力更雄厚。此外,LG、松下、大众以及福特、博世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7月公开/授权排名


中国申请人方面,依旧是中国科学院大连化学物理研究所专利公开数量最多,以25件排名第6,但较6月有一定降低,其技术主要涉及气体扩散层、催化剂、质子交换膜等。郑州宇通客车也在前十榜上有名,且主要为发明申请公开,分别涉及催化剂、增湿器、动力系统以及氢气供应系统等方面。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、燃料电池检测检验方面。


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7月的专利公开情况。

从国内申请人7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。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。郑州宇通客车在7月的专利公开数量共19件;格罗夫在7月共公开了9件专利,主要涉及氢系统;此外,中通客车、中国一汽、上汽、北汽和吉利等也有少量专利公开。


图2-1 整车厂7月专利公开情况


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。国家电投公开了10件专利,其中9件是关于电堆方面的实用新型专利;其次,楞次新能源和楷源能源均公开了6件专利;其他在7月公开了相关专利的企业还包括致远动力、小飞象汽车以及武汉喜玛拉雅和大洋电机等。


图2-2 燃料电池企业7月专利公开情况


2.3 科研院所(校)7月专利公开情况

燃料电池相关研究科研院所(校)在7月的专利公开情况如图2-3所示。相较于6月,大连化物所在燃料电池领域发明申请公开量有所减少,但与电堆相关的发明授权公开有增加。从图中还可以看出,国内各个科研院所(校)在燃料电池电堆、检验检测方面的专利公开较多,说明这两项技术是国内科研院所(校)研究的热点。


图2-3 相关科研院所(校)7月专利公开情况




3. 部分申请人及公开专利介绍


本月第3节将重点分析与双极板相关的专利,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 现代公司

图3-1 现代公司7月公开专利技术构成



 2019年7月,现代公司在燃料电池领域共公开专利44件,主要涉及电堆、系统控制、系统检测等技术分支。

下文分析的现代公司系统控制相关专利的公开号为:JP6537809B2、US10340541B2。


3.1.1 JP6537809B2—调节氢气压力,改善低温启动性能


在低温环境中,燃料电池停止运行后电堆内部的存水会结冰。水结冰后,除了会因为体积增大而损坏膜电极之外,对于燃料电池的低温启动性能也有很大影响。在低温启动过程中,冰会阻碍阳极气体流动,冰融化之后生成的水也会阻碍燃料气体发生反应,导致燃料电池阳极缺气而形成负电压,进而将阳极催化剂中的碳氧化为二氧化碳,从而破坏了催化剂性能。为了减少结冰对燃料电池的结构和性能造成影响,现有技术中通过控制电堆中的存水量或者在停机之后通过吹扫排出多余水分来降低存水量。但是在低温环境中,上述降低存水量的技术方案并不能得到满意的效果,因此需要进一步降低燃料电池阳极的存水量,提高燃料电池低温启动性能。


现代公司经过研究发现,当外部温度较低时,燃料电池中存水量增加;而燃料电池启动后,随着电堆温度升高,燃料电池中存水量减小;此外电堆中的存水量与电堆内阻值之间存在反比关系。因此现代公司利用燃料电池电堆温度、内阻和外部温度作为控制变量,对电堆的启动过程进行控制。此外,现代公司还发现当对氢气压力进行控制时,提高氢气压力可以提高燃料电池电堆内阻,即减少了电堆中的存水量。因此,现代公司在低温启动中采取以下控制策略:当控制系统检测到外部温度或者电堆内阻较小时,通过增大氢气压力来减少电堆中的存水量,提高低温启动性能。增大氢气压力除了可以增大电堆内阻,还可以通过气体压力差阻止阴极的水通过电解质膜而移动到阳极,并且可以防止阳极发生“溢流效应”,这些都可以提升燃料电池低温启动性能。


图3-2 JP6537809B2控制流程图


具体而言,当控制系统在启动过程中检测到外部环境温度较低时,可以通过两种方式控制施加的氢气压力:第一种是在不破坏燃料电池电堆气密性的情况下,将氢气压力提升至允许的最高值;另一种是根据电解质膜对于气压差的承受能力,保持氢气压力与空气压力之间的气压差处于稳定状态(例如气压差在50kPa)。当燃料电池电堆温度升高后,电堆存水量逐渐减少,此时可以降低对于氢气压力的要求,因此可以通过检测电堆温度或者电堆内阻值来逐渐降低氢气压力,直至氢气压力与空气压力之间的压差达到预设范围内(例如气压差在5kPa)。


在燃料电池停机流程中,当控制系统检测外部环境温度较低时,也可以执行同样的操作来降低电堆中的存水量以方便燃料电池再次启动。提高氢气压力可以提高阳极侧蒸汽量,利于阳极侧水分排出,并且电解质膜两侧的气压差可以促使阳极侧存水通过电解质膜移动到阴极侧,从而避免水在阳极侧结冰,影响下次燃料电池的启动过程。


3.1.2 US10340541B2—控制电池温度和气体相对湿度,改善燃料电池性能


通常,燃料电池系统只有在电堆温度以及反应气体相对湿度处于特定范围内才能表现出最佳性能。当燃料电池车辆在低温环境下启动时,燃料电池系统产生的电力往往不能满足驱动车辆加速所需的动力性能。更为糟糕的是,若此时在燃料电池内还残留有上次运行生成的水,水被冻结的话,会阻碍反应气体顺利进入电堆进行反应,则更不可能满足车辆加速所需的动力性能。同时在这种情况下,由于反应气体供应不足,会使得燃料电池单体发生电压反转现象,导致负电压出现。此时,燃料电池中的部分单电池由发电装置转变成电量消耗装置,使得燃料电池性能下降。另一方面,此时燃料电池阳极电压快速升高,电势的升高可能会造成电极中碳材料被氧化。由于碳材料作为电极的支撑体,碳材料氧化会导致电极孔分布结构的变化,使得反应气体的传质受到影响。另外,由于催化剂附着在电极上,随着碳材料被氧化,催化剂可能会发生流失,致使电极的活性下降,进而造成燃料电池性能下降。


为了改善燃料电池在负电压情况下的耐久性,现有技术通常根据燃料电池的输出电压情况来人为地设定电流限制,然而这种方式并没有考虑到燃料电池在低温环境(尤其还有残留水)启动时的性能劣化。另一方面,为了防止碳载体被腐蚀,现有技术通常是采取在阳极电极处添加析氧催化剂(OEC)的方式,通过OEC来促进水的电解反应。然而,添加析氧催化剂只是确保了电极材料的耐久性,并没有对燃料电池其他区域在负电压环境下的耐久性问题提出解决措施,更别说低温初始启动时车辆性能不足的问题了。


图3-3 US10340541B2控制流程图


基于此,现代公司提出了一种燃料电池驱动控制方法,其能够提高燃料电池系统的功率输出特性并确保了车辆启动时的初始动力性能。具体为:首先将析氧催化剂添加到阳极电极,并监测燃料电池的电池电压;在燃料电池正常运行期间, 当监测到的燃料电池输出电压小于能够产生负电压的阈值电压时,控制单元可执行降低电池温度操作以及增加气体相对湿度操作中的任意一项或者两项同时执行;当执行对应操作后的燃料电池电压小于执行电流限制的阈值电压时,执行限制燃料电池输出电流的操作。


其中,降低电池温度可通过增加冷却剂泵的旋转速度以增加冷却剂流速的方式,通过降低电池温度使水蒸气的饱和蒸气压下降,使得电堆内部含水量增加;增加气体相对湿度可采用加热器加热从鼓风机输送到加湿器的空气的方式,通过增加气体温度以提高气体承载水的能力,从而增加电解水的水量,并通过电解水来消耗燃料电池内部产生的电流,防止燃料电池发生劣化,提高燃料电池在负电压环境下的耐久性。


3.2 丰田公司

图3-4 丰田公司7月公开专利技术构成


2019年7月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利136件,主要涉及电堆、系统控制、整车、动力系统等技术分支。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系统控制相关专利的公开号为:US10340542B2、CN110034317A、JP6551257B2。


3.2.1 US10340542B2—防止过度输出限制,提高启动性能


燃料电池系统启动时,电池温度会升高。随着系统持续工作, 若温度上升过高,会导致输出电压大幅下降,并引起燃料电池劣化。为了避免上述情况发生,通常在温度上升时增加输出限制量,即温度越高,输出限制量越大。然而,对于具有堆叠结构的燃料电池,电池温度分布是不均的,端部电池的散热性比中心好,端部电池的温度比中心电池温度低。由于冷却介质的温度比端部电池温度高,现有技术利用冷却介质的温度作为整个燃料电池的温度,未考虑到电池内部温度分布不均,因而按照冷却介质的温度进行限制会使得输出限制量偏大,导致过度限制电池的输出,使得启动性能不佳。


为了充分发挥端部电池单体的性能,提升燃料电池启动性能,US10340542B2针对端部电池的功率输出限制进行了进一步优化。燃料电池系统设置有单电池监视器用于测定电池单体的输出电压,还有温度传感器用于测定冷却介质温度,基于电池单体电压下降的数值来限定电池单体的输出电流,具体限制输出电流值与冷却介质温度相对应;当单电池监视器检测的端部单电池电压低于预设值时,对端部电池的输出电流进行限制,但是对于端部电池的输出电流限制幅度小于根据冷却介质温度相对应的限制输出电流值。由此,在燃料电池堆叠中各个电池单体温度不均衡的情况下,可以针对温度较低的电池单体减小输出限制,提升电池单体的输出,改善燃料电池启动性能。


图3-5 CN110034317A 输出限制量决定处理顺序流程图


为了充分利用冷却介质温度检测而简化控制流程,控制单元进一步执行如下控制流程:修正端部电池的温度,可以通过冷却介质温度进行一次延迟滤波来作为端部单电池的温度修正值,基于修正的端部电池温度值映射出电压阈值;判断端部电池单体电压是否小于电压阈值,同时判断全部电池单体电压是否小于基于冷却介质温度映射的电压阈值,若两者条件成立,则根据端部电池单体温度修正值和冷却介质温度所对应的的输出电流限制量,选择其中较大者作为输出电流限制值。通过冷却介质温度对端部电池单体温度进行修正,可以更准确的对输出电流进行限制,从而充分利用了端部电池单体的输出性能,提升燃料电池系统的启动性能。



3.2.2 CN110034317A—优化刷新处理,抑制燃料电池劣化


燃料电池持续工作时,阴极催化剂层表面会形成氧化物膜,致使催化剂层的有效面积减小,从而引起燃料电池发电性能下降。为了恢复燃料电池发电性能,通常采取去除氧化物膜的方法,即执行刷新处理。刷新处理一般采用燃料电池产生的电量进行供能,若电池电压发生极大变化,会导致执行刷新处理时过度去除氧化物膜,引起阴极劣化,使得燃料电池性能下降。为了避免此种情形的发生,需要进一步优化刷新处理的条件。


图3-6 CN110034317A控制流程图


为了防止过度去除氧化物膜,需要在执行刷新操作之前计算生成的氧化物膜的量。CN110034317A中,控制系统存储了燃料电池输出电压与生成/去除氧化物膜的映射关系,并在燃料电池运行过程中随时记录当前输出电压、持续时长,并根据映射关系计算生成氧化物膜的量。接着,控制系统计算需要去除的氧化物膜的量。由于控制系统是数字化离散系统,在执行刷新操作时,操作电压和操作时间受到最小操作时间的限制,最短的刷新操作执行时间为0.1秒。如果在上一个刷新周期执行后,剩余的氧化物膜的量不足0.1秒去除的氧化物膜的量,则执行下一个0.1秒刷新操作后,催化剂会被过度刷新。因此为了防止过度刷新,需要预留0.1秒可以去除的最大氧化物膜的量,即0.1秒时间内施加最低刷新操作电压(0.5V)所去除的氧化物膜的量,以保证在执行刷新操作时残留一部分氧化物膜。


3.2.3 JP6551257B2—检测加热器功耗,保护二次电池


对于由燃料电池驱动的车辆,为保证用户对加速时的响应要求,常常采用二次电池的充放电来调节燃料电池提供的电力与系统消耗的电力之间的过量或不足。当燃料电池电力过剩时,二次电池充电;当燃料电池电力不足时,二次电池放电。低温启动时,燃料电池系统首先会预热加热器来加热供应给电池的冷却水使电池升温,然后再启动电池。加热器的功耗会随电池温度的变化而变化,如果加热器消耗的电量小于燃料电池提供的,则过剩电力会对二次电池进行充电;若过剩电力超过二次电池的充电极限,则会造成二次电池损伤。现有技术未考虑加热器功耗的变化对二次电池的影响。


图3-7 JP6551257B2控制流程图


基于此,JP6551257B2提出了一种燃料电池系统的控制方法,该控制方法能够检测加热器的功耗变化并防止二次电池过度充电/放电,具体为:控制系统中设置功率检测装置,用于检测加热器的功率消耗;将加热器的功率消耗与燃料电池需要提供的供电功率相加即得到燃料电池应该输出的功率。在这种情况下,燃料电池输出的功率可以满足车辆系统和加热器的功率消耗,而不需要对二次电池进行充电/放电,避免了二次电池因过度充电/放电导致的损伤。


3.3 其他部分系统控制公开专利信息一览










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