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专利情报 | 燃料电池领域全球专利监控报告(2020年3月)

燃料电池专利情报 2020-04-27 14:14

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3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,具体包括丰田公司确保氢气排出方法以及具有改善排水性能的隔板专利解读、现代公司膜电极水管理相关专利解读、戴姆勒公司加湿器专利解读以及中科院大连化物所双极板密封专利解读。

一、整体情况介绍


1.1 专利公开地域情况

2020年3月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共912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(255)下降较多,发明授权专利公告数量较上月(37)有所增加,实用新型专利授权公告数量总体与上月持平。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3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3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。其中,丰田公司公开的专利为97件,其中发明申请和发明授权数量分别为55、41件;现代公司和LG公司的专利公开数量分别为28、24件;国家能源投资集团有限责任公司与北京低碳清洁能源研究所作为共同申请人的专利公开数量为13件,均为发明专利申请公开,主要涉及加氢站和SOFC发电系统相关技术;武汉泰歌公开专利13件,实用新型专利占比较大,共计9件。

图1-3 标准化申请人专利3月公开/授权排名

本月,在燃料电池应用上,丰疆智能科技股份有限公司公开了3件关于搭载有燃料电池的混合动力拖拉机的专利;武汉海亿新能源科技有限公司公开了1件涉及燃料电池农用拖拉机的专利;斗山摩拜创新株式会社公开了3件关于燃料电池无人机的专利;丰田公司公开了6件关于社区氢能与燃料电池应用的专利。

二、国内申请人专利公开情况


2.1 国内整车厂3月专利公开情况

国内整车厂在3月的专利公开情况如图2-1所示。其中,中国一汽公开了10件专利,技术主要涉及催化剂制备、系统控制、动力系统等;东风汽车公开了4件专利,技术主要涉及膜电极制备、电堆固定、系统控制等;其他在3月公开相关专利的整车厂还包括武汉泰歌、格罗夫、广汽集团、奇瑞汽车、上汽集团等。

图2-1 整车厂3月专利公开情况


2.2 燃料电池企业3月专利公开情况

国内燃料电池企业在3月的专利公开情况如图2-2所示。其中,江苏华荷氢电公开专利8件,主要涉及电堆相关技术;大洋电机公开专利7件,主要涉及反应气体供应与动力系统等,其中有3件专利为PCT专利公开;其他在3月公开相关专利的企业还包括深圳国氢、潍柴动力、新柯力化,上海骥翀、莒纳新材料等。

图2-2 燃料电池企业3月专利公开情况


2.3 科研院所(校)3月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在3月的专利公开情况如下图所示。其中,三家科研机构,中科院大连化物所、中科院上海有机化学研究所、武汉船用电力推进装置研究所(主要涉及石墨双极板技术)分别公开专利10、10、5件;3月公开相关专利的院校包括:西安交大、北京科技大学、清华大学、天津大学等。

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3月公开专利技术分支情况

2020年3月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利97件,主要涉及电堆、系统控制、整车等技术分支。

下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为JP2020047418A、JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)。其中JP2020047418A主要涉及停机检查、维修前排除电堆内氢气的方法;JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)主要涉及一种具有改善排水性能的隔板。

3.1.1 JP2020047418A——确保氢气从燃料电池系统中排出的方法

为了确保燃料电池长期稳定进行发电,需要定期停机并对其进行检查。在对燃料电池系统进行检查时,出于安全考虑,需要对燃料电池进行放电,并用惰性气体置换系统内的氢气,具体包括电堆内的氢气和阳极气体供应单元中的氢气。

现有技术在燃料电池停止发电并判断进入放电处理过程后,首先向电堆供给惰性气体(氮气、氩气等),然后检测电堆电压是否低于预定值Va;当电堆电压≤Va时,判断放电完成。然而,在燃料电池停止发电时,其电堆电压也可能低于Va,此时放电处理过程十分短暂,无法确保系统内的氢气完全排出。

基于此,JP2020047418A提出一种确保放电处理过程中氢气完全排出的方法及燃料电池系统,具体如下:

图3-2 JP2020047418A燃料电池系统

车辆燃料电池系统如图3-2所示,燃料电池系统100包括电堆10、控制装置20、阳极气体供应单元50、阴极气体供应单元30等。当燃料电池系统停止发电后,停止供应反应气体,此时电堆剩余电压值接近于零。维修人员将惰性气体罐72连接至阳极气体供应单元50,然后开始进行维修前预处理。

预处理流程见图3-3(a)。首先,控制单元21控制空压机以预定转速(可选200NL/min)将空气供应至电堆阴极,使电堆电压上升;控制单元确定从电压测量单元84获取到的电压值是否已经上升至预设电压V1(V1≈开路电压OCV);若已上升至V1,则在一定时间后进一步判断电压测量单元84获取的电压值是否已经小于或者等于预设电压V2(V2是指当燃料电池阳极附近不存在氢气时通过实验或者模拟得来的电压值,V2<v1);当电压值≤v2时,则说明阳极处的氢气被消耗殆尽;控制单元21接下来控制阳极气体供应单元50向电堆供应惰性气体,此时阳极管道51中的氢气也被供应至电堆内;供应至电堆内的氢气与阴极气体进行反应,使电堆电压再次升高,此时再次测量电压值并判断是否已上升至v1;当电堆电压上升至v1,在一定时间后,再次测量电堆电压是否已经下降至v3(v3可设置为≤v2);当电堆电压≤v3时,则说明阳极气体供应单元和电堆内的氢气均以被去除。< p="">

图3-3 (a)预处理流程图;(b)预处理过程中电压变化

在预处理完毕后,维修人员可对燃料电池系统进行检查、维护、维修等工作。

3.1.2 JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)——一种改善排水性能的隔板

图3-4 现有技术隔板结构示意图

燃料电池隔板一侧形成有供反应气体流过的气体流路4A、4B,当发电产生的水留在气体流路中时,可能会降低反应气体的扩散性,使燃料电池的发电性能下降。为此,现有技术通过在气体流路的槽壁表面设置多个细槽6,细槽与气体扩散层接触,使得液态水能够迅速与气体扩散层分离并沿着细槽进行流动以排出。

为了进一步优化燃料电池发电性能,JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)提出了对排水槽设计进行改进,具体如下:

燃料电池单电池立体分解图与局部截面图如图3-5所示,包括阳极隔板20、阴极隔板40,膜电极组件10;膜电极组件10包括质子交换膜12,催化电极层14a、14c,气体扩散层16a、16c,支撑框架18;隔板包括气流流动通道20A、40A,冷却剂流动通道20B、40B;冷却剂入口歧管为a2、s2、c2,冷却剂出口歧管为a5、s5、c5,阳极入口歧管为a6、s6、c6,阳极出口歧管a1、s1、c1,阴极入口歧管为a3、s3、c3,阴极出口歧管a4、s4、c4。由局部截面图所示,当从Y方向上观察时,气体流动通道和冷却剂流动通道均具有波浪形的横截面形状;且气体流动通道和冷却剂流动通道在X方向上有连续肋部21、41,并与气体扩散层接触。

图3-5 (a)单电池立体分解图;(b)单电池局部截面图

图3-6为气流流动通道部分透视图,在阴极隔板40的表面上形成有排水槽43g、47g和引导槽41g;排水槽43g、47g位于侧部43、47中央部位上,并向两端延伸;从图3-7(a)流路局部截面图可看出,排水槽43g、47g在延伸方向的截面呈V形;引导槽41g形成在肋部41,并以一定间距排列,其两端分别与排水槽43g、47g连接。

图3-6 气流流动通道的部分透视图

图3-7 (a)流路局部截面图;(b)毛管力-水力直径关系图;(c)排水槽放大图;(d)排水槽局部放大图

为了更大程度地捕获反应生成水以及确保毛管力,排水槽43g的水力直径可设置为5μm~150μm(水力直径引入是为了给非圆管流动取一个合适的特征长度来计算其雷诺数,雷诺数的大小可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力)。因此,当燃料电池发电时,在气体扩散层中的生成水可经表面431a流动至排水槽43g或者经引导槽41g流动至排水槽43g内(47g侧同理)。通过排水槽43g、47g和引导槽41g有效改善了燃料电池的排水性能。

此外,由于表面433a向阴极气体流路突出,为了避免阴极气体压力损失增加,表面433a的长度L应短于表面431a和432a的长度(参见图3-7,d),可设置在0.2mm以下。另一方面,由于对置部43h与排水槽43g的内表面为互补形状,对置部43h与冷却剂通道直接接触,因此确保对置部43h的表面积可使排水槽43g的内表面更易被冷却,促进水蒸气的冷凝,改善排水性能。另外,还可对排水槽进行亲水性处理,提高排水性能。

在专利JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)实施例中,还列举了以下四种不同形状的排水槽,具体见图3-8。

图3-8 不同槽形状的排水槽

需要指出是,专利JP2020047440A保护了隔板排水槽设置及水力直径的数值范围;专利JP2020047441A在专利JP2020047440A的基础上进一步保护了排水槽对置部朝向冷却剂通道的方位关系;专利JP2020047441A保护了具有该排水槽的隔板的制造方法。


3.2 现代公司

图3-9 现代公司3月公开专利技术分支情况

2020年3月,现代公司在燃料电池领域共公开专利28件,主要涉及电堆、系统控制、检验检测等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为:KR1020200027352A、KR1020200027631A。两篇专利均与膜电极组件的水管理有关。

3.2.1 KR1020200027352A——设置排水分孔排出电解质膜与子垫圈之间的水分

燃料电池发电过程中,电解质膜中生成的水分可通过气体扩散层排出,但有时水分会积聚在电解质膜和子垫圈的间隙间,进而造成燃料电池性能劣化。

基于此,KR1020200027352A公开了一种膜电极组件,通过设置排水分孔,可使积聚在电解质膜和子垫圈之间的水分排出,具体如下:

图3-10 KR1020200027352A膜电极组件示意图

膜电极组件1包括电解质膜50、催化电极层100(阳极催化电极层100b、阴极催化电极层100a)、主垫圈300、子垫圈200(上子垫圈200a、下子垫圈200b)、气体扩散层250、排水分孔205、隔板400、隔板排气孔405等;子垫圈由PET、PEN、PP材料制成,排水分孔设置在子垫圈上并穿透子垫圈,并使电解质膜在排水分孔处暴露;排水分孔与催化电极层的边缘有一定的间隔距离,并临近隔板排气孔。

图3-11 水分运动示意图

通常,电解质膜中生成的水分可通过催化电极层上侧的气体扩散层排出到外部。然而,当水分在电解质膜内部沿着其延伸方向进行移动时,若电解质膜与子垫圈之间存在间隙,水分将在间隙中积聚,并使电解质膜与子垫圈之间产生膨胀,影响两者的界面结合力。又因为排水分孔临近隔板排水孔,使得从排水分孔出排出的水分易于通过隔板排气孔排出至外部。因此,通过设置排水分孔可有效排出积聚在间隙中的水分。综上,通过设置排水分孔可在一定程度上改善燃料电池的性能和耐久性。

3.2.2 KR1020200027631A——防止电解质膜中的水分扩散至非反应区域

为了使电解质膜与子垫圈连接,通常需要将电解质膜进行延伸并使子垫圈粘附到延伸部分,因此电解质膜可分为与催化电极重叠的反应区域和与子垫圈重叠的非反应区域。电解质膜的湿润状态会直接影响燃料电池的发电性能,当水分沿着电解质膜延伸方向从反应区域扩散至非反应区域时,此时用于燃料电池反应所需的水分减少,可能会严重影响的燃料电池发电性能。

现有技术提出将电解质膜非反应区域的膜长度缩短至短于子垫圈的长度,以防止电解质膜暴露至反应区域外部,从而防止水分排放到非反应区域。然而,此种方案制备的膜电极组件在长期运行过程中,可能发生反应气体和冷却水的泄漏以及电解质膜和子垫圈之间分离,使得燃料电池发电操作不能继续进行。另一方面,在该方案制备膜电极组件过程中,子垫圈通过注塑成型工艺形成,在注塑成型工艺中可能造成结合物变形或污染等情形。

基于此,KR1020200027625A公开了一种可防止水分扩散至电解质膜非反应区域的膜电极组件及制造方法,具体如下:

膜电极组件结构如图3-12所示,阴、阳催化电极(阴极100、阳极300)夹持在电解质膜200的两侧,电解质膜200包括与阴阳极接触的反应区域220(RA)以及与子垫圈接触的非反应区域230(NRA);电解质膜200中的非反应区域NRA设置有排水防止部400(图3-12示出了一组排水防止部410、420,排水防止部不限于一组),排水防止部与上下子垫圈重叠;从顶部进行观察时,排水防止部距反应区域RA的最短距离为1~20mm,排水防止部的宽度为1~20mm;排水防止部可防止水分向电解质膜非反应区域扩散,确保燃料电池发电性能。

图3-12 KR1020200027625A膜电极组件截面图

带有排水防止部的膜电极组件制造方法及参数选定理由如下:

图3-13 膜电极组件制造方法

S100-S300:依次将阴极、阳极层叠在电解质膜的两个相对表面上;S400:在电解质膜的非反应区域层压子垫圈;S500:利用加热装置对电解质膜的非反应区域进行热处理,热处理温度范围在150~300℃,热处理时间范围在30s~30min,使电解质膜上的离聚物结晶度增大,提升其疏水性,抑制水在电解质膜中的运动。

排水防止部距反应区域RA的最短距离为1mm以上,可防止在热处理过程中,对电解质膜、阴阳电极造成损伤。

当排水防止部宽度小于1mm,其对降低水迁移率的效果较差;当宽度大于20mm时,在热处理过程中,从电解质膜中逸出的水分易被截留在排水防止部与子垫圈之间的界面处并形成气泡,从而可能导致反应气体泄漏、子垫圈脱落等情形,影响燃料电池发电操作。

3.3 戴姆勒公司

下文分析的戴姆勒公司燃料电池相关专利的专利公开号为:CN106463744B。CN106463744B主要与加湿器相关。

3.3.1 CN106463744B——具有分离废气中的水和加湿空气的处理装置

图3-14 现有技术燃料电池系统

如图3-14所示,在燃料电池系统中,为了对反应气体进行加湿以及去除废气中的液态水,分别设置有加湿器和气液分离器,即使可将加湿器和气液分离器集成在一起来降低燃料电池出口导管处的压力损失,该系统也需要足够多的部件和相对大的空间来进行安装。

基于此,为了节省部件成本和减小安装空间,CN106463744B提出了一种兼具废气液态水处理和加湿反应气体功能的处理装置及燃料电池系统,具体如下:

燃料电池系统如图3-15所示,燃料电池16发电产生的湿废气经阴极侧排放到废气管路中并传输至处理装置12,湿废气围绕处理装置12的中空纤维束24进行运动并朝向外侧28流动(径向,箭头30);空气在通道26中流动(轴向),通道26位于中空纤维束的中心;中空纤维束由盘簧46进行支撑,两个中空纤维束之间设置有固持结构50,固持机构50上设置有翼肋52以使中空纤维束保形;由于废气流动区域的横截面积大于通道26的横截面积,因此,湿废气在向外侧流动过程中可以低速和高分散性进行,便于进行水分收集;由于中空纤维束24只允许水分子透过,当湿废气围绕中空纤维束流动时,待加湿的空气供应至通道26中,在水分浓度差的作用下,湿废气中的水分被分离并透过中空纤维束对空气进行加湿。

图3-15 CN106463744B燃料电池系统

分离出的液态水在重力以及废气气体密度差异的作用下,朝向箭头39的方向运动,并从间隙32(间隙32形成于壳体22的壳体壁34与相应中空纤维束之间)流出到达收集区域36;收集区域36形成在壳体底部38中,并呈V形凹槽;液态水还可经由出口(未示出)从收集区域36处排出。

此外,处理装置的壳体顶部区域42处设置有排放空间40以及中空纤维束外侧设置有辐板48来保障间隙32通畅,用以确保干废气顺利排放。干废气经管线供应至废气涡轮增压器的涡轮44处,排放至外界。

该发明的处理装置兼具空气加湿,废气水液分离及水收集功能,可最大程度地节约安装空间和安装部件;该处理装置可确保废气中水分被有效去除,使干废气流至废气涡轮增压器涡轮处,避免了涡轮处的发生冻结。


3.4 中科院大连化物所

下文分析的中科院大连化物所的燃料电池相关专利的专利公开号为:CN110943239A。CN110943239A与双极板密封有关。

3.4.1 CN110943239A——无需加工密封槽以及使用密封胶的双极板密封技术

在水冷型质子交换膜燃料电池中,双极板一般由阳极板和阴极板密封组成,双极板密封性能直接关系到燃料电池的安全性与可靠性。针对双极板密封,现有技术有采用人工涂刷密封胶或者用点胶机涂密封胶的方法进行密封,上述方法难以控制密封胶的厚度与位置,容易造成漏气、电阻大等缺陷,而且效率偏低。为了提高密封双极板的效率和精确度,现有技术还通过丝网印刷法将密封胶印刷在阴极板和阳极板相对准备粘合板面上的密封槽内,再将上好胶的阴极板和阳极板对合,放入压紧装置压紧,使两块需要粘结的阴极板和阳极板紧密贴合。然而,通过丝网印刷法进行密封粘合的双极板在拆卸上较为困难,增加了更换单侧极板的难度。

基于此,CN110943239A提出了一种无需加工密封槽以及使用密封胶的双极板密封技术,具体如下:

水冷型质子交换膜燃料电池包括阳极板、阴极板和循环水腔外框架;循环水腔外框架设有循环水进出口,循环水腔外框架的上下表面设有凹槽,阳极板、阴极板分别经膜密封件隔离后嵌入凹槽内,当水流经循环水腔时,膜密封件遇水溶胀,从而起到密封循环水腔外框架和阳极板的作用,同时也起到密封循环水腔外框架和阴极板的作用。由于膜密封件不是经胶黏作用将循环水腔外框架和阳极板密封,也不是经胶黏作用将循环水腔外框架和阴极板密封,密封前,不需要等待密封胶干燥,因此节省了密封时间;密封后,若需要维修阳极板、阴极板或者循环水腔外框架,双极板的拆卸过程只需直接将阳极板、阴极板从循环水腔外框架中取出,易于拆卸。

图3-16双极板组装示意图

阳极板、双极板的材质可为无孔密实材料或多孔材料。无孔密实材料可为密实石墨或金属材料;多孔材料可选多孔石墨或多孔金属,材料孔隙率在10%~20%,孔径在1μm~5μm;循环水腔外框架采用无孔密实材料,包括密实石墨等。

膜密封件的形状与阳极板、阴极板的外形相匹配;其材质为遇水溶胀的高分子材料,如全氟磺酸型聚合物材料或磺化聚醚醚酮类材料;膜密封件的厚度为80μm-200μm。

3.5 部分国内公司本月公开专利一览




THE  END



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