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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年4月)

燃料电池专利情报 2020-06-02 17:30

导读

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:
2020年4月燃料电池领域公开专利整体情况介绍;国内申请人专利公开情况介绍;部分申请人介绍及其公开专利解读,具体包括丰田公司执行刷新控制期间确保杂质排出以及燃料电池系统负载所需功率变小时的操作优化的专利解读;奥迪公司为防止电堆停机重启时,残留氢氧直接反应导致催化剂发生劣化的专利解读;清华大学燃料电池电压控制专利解读;同济大学燃料电池低温启动控制专利解读等。

—识别二维码填写联系信息即可获取PDF版本监控报告和专利清单—
一、整体情况介绍
1.1 专利公开地域情况

2020年4月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1106件,较上月相比,数量有一定增加。本月,中国地区的发明专利申请公开数量较上月(166)增加较多,发明授权专利公告数量与上月持平,实用新型专利授权公告数量较上月有一定增加。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4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4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80件,其中发明申请和发明授权数量分别为46、33件;本田公司和日产公司的专利公开数量分别为33、31件;博世公司和潍柴动力本月公开专利数量均为21件,其中博世公司的专利技术主要涉及电堆(催化剂、密封)、氢系统、动力系统,潍柴动力的专利技术主要涉及空气系统、系统控制、热管理等;格力集团本月公开专利10件,其专利技术主要涉及电堆、增湿等,其中电堆以双极板相关技术为主。

图1-3 标准化申请人专利4月公开/授权排名

在燃料电池检验检测方面,本月公开燃料电池气密性检测相关专利的企业有中国一汽、锋源氢能、上海电气、深圳世椿等;公开燃料电池氢系统测试相关专利的企业有上海舜华新能源、中汽研汽车检验中心、佛山清极等;公开燃料电池故障、缺陷、寿命检测相关专利的企业有潍柴动力、深圳世椿、北京航天智造。


二、国内申请人专利公开情况


2.1 国内整车厂4月专利公开情况

国内整车厂在4月的专利公开情况如图2-1所示。其中,中国一汽公开22件专利,主要涉及双极板、气体扩散层、空气系统、检测检验等;格罗夫公开了6件专利,主要涉及热管理、车用去离子器等;东风汽车在本月公开相关专利5件,主要涉及燃料电池汽车冷却系统控制、能量管理、氧气供应等。其他在4月公开相关专利的整车厂还包括上汽大众、宇通客车、北汽集团、长城汽车、飞驰汽车、吉利汽车、广汽集团、奇瑞汽车、金龙客车等。

图2-1 整车厂4月专利公开情况

2.2 燃料电池企业4月专利公开情况

国内燃料电池企业在4月的专利公开情况如图2-2所示。其中,上海神力公开专利8件,主要涉及低温启动、停机方法以及活化等技术;中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司公开专利6件,主要涉及熔融碳酸盐燃料电池相关技术;其他在4月公开相关专利的企业还包括河南豫氢、浙江高成绿能、舜华新能源、新源动力、雄韬氢雄、武汉中极氢能等。

图2-2 燃料电池企业4月专利公开情况

2.3 科研院所(校)4月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在4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13件,其技术主要涉及膜电极相关组件制备、双极板、增湿器等;清华大学公开专利12件,其技术主要涉及燃料电池状态检测、系统控制等;佛山科学技术学院本月公开专利5件,主要涉及催化电极制备;其他在4月公开相关专利的科研院所(校)还包括:武汉船用电力推进装置研究所、同济大学、大连理工大学、电子科技大学、深圳大学、武汉理工大学等。

图2-3 燃料电池科研院所(校)4月专利公开情况

三、部分申请人及公开专利介绍

本月第3节将对部分申请人的公开专利进行解读,并对涉及到的部分申请人的专利技术分支情况进行简要介绍。


3.1 丰田公司

图3-1丰田公司4月公开专利技术分支情况

2020年4月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利80件,主要涉及电堆、系统控制、储氢、整车等技术分支。

下文分析的丰田公司燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为US20200136157A1、JP2020057460A。其中,US20200136157A1涉及执行刷新控制期间杂质排放的问题、JP2020057460A涉及当燃料电池系统负载所需功率变小时的操作优化。

3.1.1 US20200136157A1——确保执行刷新控制期间杂质排出

在燃料电池系统中,铂催化剂会随时间发生氧化,氧化膜和其他杂质附着在催化剂表面进而降低催化性能。为了恢复催化剂性能,燃料电池系统会通过短时间降低燃料电池的电池电压以减少铂催化剂表面的氧化膜并使得杂质从催化剂表面脱落来恢复燃料电池的发电性能,这个控制方式被称为“刷新控制”。在刷新控制期间,氧化膜由于还原反应而变成氧气与废气一起从燃料电池中排出,但是杂质则以固态形式从铂催化剂中脱落。如果在刷新控制之后杂质没有及时排出,而是残留在燃料电池中,则当在正常发电期间,杂质可能重新沉积在铂催化剂的表面上并影响燃料电池的发电性能。为了保证刷新控制期间固态杂质能够及时排出燃料电池,需要保证刷新期间电堆内部的液态水含量,使得杂质随着液态水排出燃料电池。

然而在燃料电池执行刷新控制期间,为了降低燃料电池电堆电压,会减少阴极空气进气量,并进而导致阴极生成的水量减少,此时燃料电池不能产生足够的液态水排出杂质。为了尽可能增加液态水以排出杂质,丰田公司设计了如图3-2所示的系统。燃料电池系统包含两个子燃料电池系统,当燃料电池子系统9a执行刷新控制时,燃料电池子系统9b则正常发电。此时燃料电池9a阴极生成的液态水减少,而燃料电池子系统9b的阴极会生成大量水分,并随阴极废气排出。丰田利用燃料电池子系统9b阴极废气中大量水分对燃料电池子系统9a的空气进气侧进行加湿,或者直接将燃料电池子系统9b的阴极废气与燃料电池子系统9a进气侧空气进行混合,提高进入燃料电池子系统9a的空气湿度,这样就可以保证燃料电池子系统9a阴极侧的液态水量,尽可能通过液态水排出杂质。此外,丰田还提出可以在执行刷新控制期间提高电堆的冷却效果,进一步降低电堆内部温度,以降低饱和蒸气压,促进阴极水分在电堆内部凝结。

图3-2 US20200136157A1燃料电池系统


3.1.2 JP2020057460A——燃料电池系统负载所需功率变小时的操作优化

当燃料电池系统负载所需功率变小时,燃料电池产生的电力变小,整个燃料电池系统的能量效率降低,甚至负载所需功率可能由二次电池直接提供,此时燃料电池执行间歇操作。当燃料电池执行间歇操作时,为了防止电堆劣化,仍会使空压机旋转并向阴极侧供应空气以将开路电压(OCV)维持在期望范围内。当空压机供应的空气量高于维持开路电压(OCV)所需空气量时,可控制多余的空气量在排出流路中流动。排出多余空气量的操作会消耗维持空压机发送多余空气量的电力,因此燃料电池系统的有效操作性存在改善空间。

基于此,JP2020057460A提出了一种燃料电池系统,可在燃料电池系统负载所需功率变小时,使燃料电池系统的操作更为有效。

图3-3 JP2020057460A燃料电池系统

燃料电池系统如图所示,包括两个电堆11、12,阴极气体供应单元110、阳极气体供应单元120、控制单元4;阴极气体供应单元110包括两个空压机13、14以及控制阀和气体供应通道等。

当燃料电池处于正常操作模式时,可通过控制单元获取所需输出电力值,来决定电堆11、12的发电量,此时空压机13、14均正常运转。当控制单元4确定负载所需功率小于等于预设阈值时(预设阈值为从正常操作变为间歇操作的阈值),燃料电池系统进入间歇操作模式,此时控制单元发出命令使空压机14、阀19关闭、阀20打开,保持空压机13运行,由空压机13向电堆11供应空气。然后由控制单元判断电堆11的电压是否高于上限值(上限值设定为不使催化层发生劣化的最大OCV值),当判断电堆11电压高于上限值时,减少空压机11转速,调节阴极气体流速,使电堆电压重新回落到预定范围内;若当检测到电堆电压低于上限值时,需要进一步判断电堆电压是否低于下限值(下限值设定为在间歇操作期间各电堆可维持电压的下限值;也可理解为当燃料电池系统从间歇操作模式转换为正常操作模式时,电堆输出可立即升高到的电压值);当判断电堆电压低于下限值时,控制单元发出控制指令使空压机11提高转速,调整空气流速,使电堆电压重回预定范围。若判断电堆电压处于预定范围内,则重新检测负载所需输出是否小于等于预设阈值,若大于预设阈值,则返回正常操作。

图3-4 JP2020057460A操作优化控制流程图


3.2 奥迪公司

下文分析的奥迪公司燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为CN107004876B。CN107004876B主要涉及防止电堆停机重启时,残留氢氧直接反应导致催化剂发生劣化。

3.2.1 CN107004876B——一种用于断开燃料电池系统的方法

燃料电池系统停机过程中,停止向电堆供应燃料气体和空气后,阴极侧的空气可能向阳极侧渗透。当燃料电池系统重新启动时,燃料电池两极可能出现较高的电势,导致燃料电池电极催化材料出现碳腐蚀和催化剂老化。为了避免该情况,燃料电池电堆在停止运转时需要尽可能保证阴极侧没有氧气。这样阳极侧的水、氮气和水蒸气组成的气体混合物可以扩散到阳极,并在电堆重新启动时保护电堆。

图3-5 CN107004876B燃料电池系统

参见上图3-5,奥迪公司对燃料电池系统进行了改进,在阴极侧进气通道21和排气通道22上设置了空压机23,增湿器29,阀30、31,旁路阀28,涡轮26。当燃料电池系统进入停机流程,空压机23持续运转,阀30、31和旁路阀28开启,由此可以保证阴极室维持较高的压力。而由于旁路阀28开启,空压机并没有向电堆阴极室引入新的空气,经过一段时间之后,电堆的阴极室内空气中氧气被逐渐消耗,氧气浓度降低。此时关闭阀30和31,将电堆阴极室与外界大气隔离,这样阀31之后的管路内气压值与大气压接近,而阴极室内保持1.5-2.5bar的较高压力。接着测量阴极室内氧气含量,可以利用气体传感器进行检测,也可以直接测量电堆输出电压值的大小来判断氧气浓度是否满足要求。如果氧气浓度已经下降到阈值之内,则控制阀30和31的开闭,使得电堆阴极室的高压低氧含量气体向进气通道21和排气通道22膨胀,而阴极室的压力降低至大气压和初始高压之间的一个低的超压上。再次关闭阀30、31,让电堆阴极室压力维持在超压上,并且此时阴极室内气体的氧气含量符合停机要求,不会因为下次开机导致催化剂劣化。

通过先让阴极室保持较高压力并消耗其中的氧气,再将高压低氧气体通过阀门向管路上下游进行膨胀,保证了阴极室内可以维持较低的氧含量水平,进而实现了避免氧气由阴极侧进入阳极侧,带来催化剂劣化的问题。


3.3 清华大学

下文分析的清华大学燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为CN109830716B。CN109830716B主要涉及燃料电池电压控制。

3.3.1 CN107004876B——燃料电池电压控制方法

针对燃料电池电压进行控制,可采取控制输出电流以及调节反应气体供给量的方式。例如,当控制器设置了一个最高工作电压,一旦控制器检测到实际电压超过该设定值时,可控制燃料电池提高输出电流来使电压下降。此种方式虽然操作十分方便,但需要持续提高对外输出电流;另外,还可通过减少反应气体供应量的方式来降低燃料电池的工作电压,然而由于供气减少,会使得让燃料电池内部均一性和一致性恶化加剧,存在失效风险。

基于此,CN109830716B提出了一种燃料电池电压控制方法,可有效确保燃料电池内部的均一性和一致性,提高燃料电池使用寿命,具体如下:

燃料电池控制系统如图3-6所示,通过空压机和循环泵配合用以调节燃料电池的阴极气体过量系数和气体再循环系数,具体控制方法为:

图3-6 CN109830716B燃料电池控制系统图

首先获取燃料电池的工作电压值,燃料电池工作电压值可由燃料电池的工作电流、气体过量系数和气体再循环率来确定。

图3-7 电流密度和工作电压关系变化;气体过量系数、气体再循环率与电流密度关系变化

根据燃料电池工作电压值和预设上限电压值的大小关系,调整气体过量系数和气体再循环率,以使燃料电池的工作电压不大于上限电压,同时满足燃料电池的反应气体通过量在预设范围内。例如,当工作电压值大于预设上限电压值时,减小气体过量系数,以使燃料电池的工作电压不大于上限电压;根据减小后的气体过量系数增大气体再循环率,以使燃料电池的反应气体通过量在预设范围内;重新比较工作电压值和预设上限电压值的大小;若工作电压值仍大于预设上限电压值,则继续减小气体过量系数,以使燃料电池的工作电压不大于上限电压。调整方式可参考以下式子:

(η代表气体再循环率,λ0代表气体再循环率的初始值,λ代表气体过量系数)


3.4 同济大学

下文分析的同济大学燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为CN110957503A。CN110957503A主要涉及燃料电池低温启动控制。

3.4.1 CN110957503A——燃料电池低温启动空气加热回流系统及控制方法

燃料电池低温启动策略主要分为两大类型,保温和加热。“保温”是指防止燃料电池温度降到0℃以下,避免内部水分结冰阻碍气体供应以及对燃料电池组件造成损伤等,可通过设置电热丝、干燥剂、氢循环泵等来实现保温效果,但通常能耗较高且系统设计较为复杂。“加热”是指可通过外部热源或者内部氢氧直接反应产生热量来进行加热,外部热源设置会增加系统结构的复杂性,而且通过内部氢氧直接反应存在因热量分布不均使得电堆遭受热应力损伤的情形。

基于此,为了简化系统结构以及克服部分技术缺陷,CN110957503A公开了一种燃料电池低温启动空气加热回流系统及控制方法,具体如下:

燃料电池系统如图3-8所示,包括空压机4、加热器14、电堆10、控制器12等,当燃料电池启动时,利用温度传感器11检测电堆的温度(T1),若燃料电池温度低于0℃,则执行预热处理。预热处理主要是使加热器14工作,将三通阀2、13与加热阀相连的端口打开,对从电堆中排出的空气进行加热以实现循环回流,在预热处理过程中中冷器5、加湿器7和出口处背压阀6停止工作。

图3-8 CN110957503A燃料电池系统

当燃料电池温度高于0℃,关闭加热器14,将三通阀2、13与加热阀相连的端口关闭,使燃料电池正常运行。

另外,在预热阶段,还需对蓄电池SOC进行检测,当蓄电池SOC高于40%时,则直接使用蓄电池进行供电;当蓄电池SOC低于40%时,则控制燃料电池电堆为加热器和空压机供电。

图3-9 CN110957503A系统控制流程图

3.5 其他燃料电池系统控制专利一览


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