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2020年2月燃料电池领域全球专利监控报告

时间:  2020-03-23 10:46  来源:  燃料电池专利情报   作者:  刘胜

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、2020年2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,主要涉及燃料电池系统控制相关的专利解读。

一、整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2020年2月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共873件,较上月相比,数量有一定下降。本月,中国地区的发明专利申请公开和实用新型专利授权公告数量总体与上月持平,发明授权公告数量下降较多。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2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2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69件,其中发明申请和发明授权数量均为34件;现代公司和LG公司的专利公开数量分别为27、24件;格罗夫公开专利17件,发明申请专利占比较多,共计11件;武汉泰歌公开专利12件,其中9件为外观设计专利。


图1-3 标准化申请人专利2月公开/授权排名

燃料电池应用方面,在本月公开专利中,汉高公司公开了一种环保洗碗机(由燃料电池向其供能),洗碗机可利用燃料电池排出的生成水进行漂洗、利用燃料电池排出的空气进行干燥工序,且在漂洗和干燥过程可利用燃料电池发电产生废热来加热空气与水。一汽公布了一种新能源补电车,可将燃料电池发电的电力经高压配电箱供应至充电桩,充电桩上设置有交流和直流充电接口,可有效提高新能源补电车的利用率。

二、国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂2月专利公开情况

国内整车厂在2月的专利公开情况如图2-1所示。其中,中国一汽公开了7件专利,技术涉及整车能量管理、热管理、吹扫等。其他在2月公开相关专利的整车厂还包括上汽集团、郑州宇通客车、江淮汽车、飞驰汽车等。


图2-1 整车厂2月专利公开情况

2.2 燃料电池企业2月专利公开情况

国内燃料电池企业在2月的专利公开情况如图2-2所示。其中,浙江锋源氢能公开专利11件,主要涉及金属双极板制备技术;世椿智能装置公开专利6件,主要涉及双极板制备过程中的点胶密封方法;安徽伯华氢能、魔方新能源、氢蓝时代、深圳国氢、舜华新能源、潍柴动力、先导智能、新柯力化均公开4件专利。


图2-2 燃料电池企业2月专利公开情况

2.3 科研院所(校)2月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在2月的专利公开情况如图2-3所示。其中,清华大学公开专利共10件,其中发明授权6件。大连理工大学、华中科技大学、江苏大学、重庆大学均公开4件专利,其中重庆大学公开的4件专利均涉及水凝胶固态电解质的微型无膜液体燃料电池。


图2-3 相关科研院所(校)2月专利公开情况

三、部分申请人及公开专利介绍

3.1 丰田公司


图3-1 丰田公司2月公开专利技术分支情况

2020年2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、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:CN110783602A、JP2020021533A。

3.1.1 CN110783602A——排气排水阀工作状态判断

排气排水阀可用于将废气以及发电生成的水排到外部。在现有技术中,当检测到排气排水阀的温度处于解冻温度以上时,则判定排气排水阀能够正常进行开阀动作。然而,当排气排水阀中存在灰尘等异物或者阀内存在的冰未完全消融时,此时即使排气排水阀的温度处于解冻温度以上,阀门也可能无法进行正常开阀动作。因此,仅凭温度无法准确判断出排气排水阀阀门是否可以执行开阀动作。

基于此,CN110783602A提出了一种燃料电池系统,可有效对阀门的工作状态进行判断,具体为:

燃料电池系统10如下图所示,包括阳极气体供排系统50(供给系统50A、循环系统50B、排出系统50C)、阴极气体供应系统30,冷却剂循环系统70。


图3-2 CN110783602A燃料电池系统

在燃料电池启动开始阶段时,排气排水阀接收到开阀指示的情况下,控制部62通过将排气排水阀58中阳极废气的排气流量与预先设定的基准值进行比较,若在基准值以上,则说明排气排水阀58可正常进行开阀动作;反之,则存在异常。

具体为:

在燃料电池系统接收到启动指令后,首先由控制部判断环境温度是否在冰点以下,例如可通过检测制冷剂排出流路79B处制冷剂的温度或者排气排水阀58处的温度等。处于低温启动条件下时,打开空压机向燃料电池供给空气,同时通过喷射器向阳极供应燃料气体(并停用循环泵);当阳极气体供给压力上升至指定值时(可用压力传感器59测量气体压力值并计算出阳极气体供给量≥阳极体积为止),控制部指示排气排水阀58打开,并在预定时间后(如0.3S),对排气排水阀58的工作状态进行检测。当阳极废气排气流量大于或等于预定参考值时,则可判定排气排水阀可正常动作;反之,则存在异常。进一步,若排气排水阀58可正常动作,则允许车辆行驶;若存在异常,则生成异常报告通知驾驶员。

本方法通过阳极废气排气流量情况来对排气排水阀的工作状态进行判定,可有效提高检测准确率。


图3-3 CN110783602A燃料电池系统控制流程图

3.1.2 JP2020021533A——电堆内负电压检测及造成负电压的原因判断

氢气缺乏会导致燃料电池堆的电压变为负电压,现有技术通常采取增加氢气流量来消除负电压。然而,此种方法有时难以奏效,且用户无法得知产生负电压的原因。

基于此,JP2020021533A提出一种燃料电池系统,可准确检测电堆内负电压以及产生负电压的原因,具体为:


图3-4 JP2020021533A燃料电池系统

燃料电池系统100包括电堆20、阳极气体供排系统30、阴极气体供排系统60、制冷剂循环系统70,通知单元80、记忆单元84和控制单元90等。

S101:当燃料电池启动时,开始负电压通知控制。控制单元90通过单元监视器22发送的电压值来确定各单电池的电压是否为负电压。

S102:当存在负电压时,控制单元90执行电流限制以防止负电压导致电堆内每个单电池发生劣化,同时增加阳极气体流量以使电堆中的水分被阳极气体冲走,使水分向气液分离器侧移动。

S103:在执行S102后,重新从单元监视器20获取每个单电池的电压,判断是否存在负电压;若仍存在负电压,则进一步确认负电压产生的原因;若不存在负电压则可检查启动开关状态(S121),当启动开关断开时(S121,YES),控制单元90结束负电压通知处理。

S104:氢泵冻结判定。首先判断氢泵46运转是否正常,通过将控制单元90发送的命令值与氢泵46实际的输出量进行比较,若实际输出量小于或者大于命令值,则说明氢泵运转异常;在判定氢泵运转异常后,可根据外部温度传感器检测到的温度情况来确定氢泵是否有可能被冻结。当低于0℃时,存在冻结可能;反之,则无。

S105:排气排水阀冻结判定。控制单元90向排气排水阀48发出打开/关闭指令,根据阳极气体供应通道中的压力变化,来判断是否运行正常。例如,当发送“打开”指令时,若此时阳极气体供应通道中的压力变低,则说明排气排水阀正常运转,未发生冻结(正常运转时可将生成水和废气排出,使通道压力下降)。

S106-S109:当判定氢泵和排气排水阀中的至少一个存在冻结可能性时,由通知单元80执行通知,随后燃料电池系统停止发电,并记录相关信息(车辆信息、环境温度、冻结部件、冻结预估原因等)。S106-S133:当判定氢泵和排气排水阀中均不存在冻结可能性时,由通知单元80执行通知,燃料电池系统停止发电,并记录相关信息。记录的信息可以辅助专业人士判断故障原因。


图3-5 JP2020021533A控制流程图

3.2 现代公司


图3-6 现代公司2月公开专利技术分支情况

2020年2月,现代公司在燃料电池领域共公开专利27件,主要涉及电堆、系统控制、增湿等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池系统控制相关专利的专利公开号为:JP2016219395A、US20200055422A1。

3.2.1 JP2016219395A——用于恢复燃料电池堆性能的方法和装置

通常,膜电极组件中的电极在一定工作时间之后会发生劣化,从而引起燃料电池性能的下降。发生劣化的原因包括:电极中催化剂的表面上形成有氧化物或吸附有杂质等。例如,阴极催化剂表面生成有Pt氧化物,降低了氧还原反应速率;阳极催化剂吸附了CO,导致氢氧化反应速率降低;在高功率和低湿度操作期间,使SO3-端基重排,导致离子导电性降低,同时SO3-吸附至铂催化剂表面,降低催化剂了活性……以上情形导致的燃料电池堆性能下降为可逆的,所以可采取相应措施使燃料电池堆的性能(部分)恢复。

现有技术中,主要通过阴极侧氢气加速铂氧化物的还原使电堆性能恢复,具体手段为:向阴极供应氢气,并使氢气在阴极停留一定时间以去除铂表面上的氧化物;向阳极供应空气、阴极供应氢气以使电极反转,并向电极施加高脉冲电流,以除去阴极催化剂表面形成的氧化物;然而,上述方法不能有效改善由于阳极铂催化剂表面吸附有杂质(CO、SO3-)时导致的电堆性能劣化。


图3-7 现有技术与JP2016219395A方案对比

基于此,JP2016219395A提出了一种用于恢复燃料电池堆性能的方法和装置,可同时去除阳极和阴极催化剂表面上的Pt氧化膜以及吸附至其表面上的杂质(CO、SO3-)等,具体为:


图3-8 燃料电池性能恢复系统

性能恢复装置包括反应气体供应变化机构(三通阀)、电流流动变化机构(接触型继电器)等。恢复方法为(OCV↔氢气泵送反应),S1:在因长期使用而发生性能劣化的燃料电池堆中,向阳极供应氢气、向阴极供应空气,在向阴极停止供应空气之后(持续供给氢气),向阴极施加0.1A/cm2的电流脉冲约3-5分钟,使电池电位达到-0.1V,并使阴极发生氢气泵送反应;

S2:当发生氢气泵送反应后,再向阴极供应空气(约1min)以维持开路电压OCV,并同时供应10-15℃的冷凝水,使电堆处于高湿度条件下进行性能恢复操作;

S3:进行电极反转,在电极反转后,停止向阴极’(即反转前的阳极)供应空气,通过施加电流使阴极’发生氢气泵送反应,在进行氢气泵送反应后,向阴极’供应空气以维持开路电压;

S4:重复进行步骤S1-S3 6次。


图3-9 处理过程

通过上述方法,利用电流脉冲,使电极处形成“OCV↔氢气泵送反应”,可有效去除阳极和阴极催化剂表面上的Pt氧化膜以及吸附至其表面上的杂质(CO、SO3-)等。

具体原理见下图:


图3-10 JP2016219395A恢复电堆性能原理图

3.2.2 US20200055422A1——燃料电池车辆的外部供电系统和供电方法

燃料电池车辆使用燃料电池发电产生的电力来驱动电动机,从而获得动力;也可将发电电力用于向车辆外部负载供电。当用作向外部负载供电时,需要针对各种情况进行配电控制或者当燃料电池怠速停止(FC idle-stop)时向车辆外部负载进行供电的技术。

基于此,US20200055422A1提出了一种燃料电池车辆的外部供电系统和供电方法,能够基于车辆外部的负载功率大小和高压电池的电荷状态(SOC)来控制燃料电池和操作充电/放电单元,具体为:


图3-11 US20200055422A1外部供电系统

外部供电系统如图3-11所示,包括燃料电池10、高压电池30、DC变换器(充放电控制单元)20、控制器50、电源管理系统(BMS)等。控制器可配置为随着向车辆外部负载提供电力的增加,增大从燃料电池处提供电力的比率;当向车辆外部负载提供电力的减小时,可增大从高压电池处提供电力的比率。更进一步,控制器还可以根据外部负载电力的大小,将控制方式分为多个控制模式,具体如下:


图3-12 US20200055422A1控制流程图

S1:控制器可根据获取到的外部负载功率大小以及高压电池的电荷状态,来选取具体的控制模式。在本专利中,现代通过设立外部负载功率大小A和B,来将外部负载功率大小划分为三个区间(<A;A~B;≥B),并根据对应的外部负载功率大小,将控制模式分为低功率控制模式(<A)、中间功率控制模式(A~B)、高功率控制模式(≥B)。

S2a:处于低功率控制模式时,当高压电池的荷电状态≥SOCI时,可停止由燃料电池向外部负载供电而仅由高压电池向其供电;在≥SOC I时,高压电池可设置为不再需要被充电并以相对低的输出电压对外部负载进行供电(可通过配置DC变换器实现,以防止因升压而带来的电力转换效率降低)。当高压电池的荷电状态降至低于SOC II时(SOC II可配置为足够对高压电池充电而不使高压电池放电的值),可仍使用高压电池向外部负载供电同时使燃料电池向高压电池充电。总之,在低功率控制模式下,最大限度地停止对燃料电池的操作,并使高压电池充电/放电最大化,将高压电池的电力供应至负载。

S2b:处于中间功率控制模式时,当高压电池的荷电状态≥SOCIII时,使用燃料电池和高压电池两者的电力向外部负载供电,同时控制器可配置DC变换器20抑制高压电池的充电/放电,以使高压电池的充电量处于适当的状态,并减小DC变换器处的电力消耗;当高压电池的荷电状态上升至SOC I时,可停止由燃料电池向外部负载供电(可使燃料电池处于idle-stop状态,此时可中断空气供应、并持续供应氢气并使氢气再循环)而仅由高压电池向其供电(仍以相对低的输出电压进行);当高压电池的荷电状态小于SOC III时,可仍使用高压电池向外部负载供电同时使燃料电池向高压电池充电。总之,在中间控制模式模式下,当高压电池的电荷状态维持在特定状态中(SOC III ~ SOC I)时可以使用燃料电池和高压电池两者的电力来给外部负载供电。

S2c:处于高功率控制模式时,当高压电池的荷电状态小于SOCI时,可仅使用燃料电池产生的电力来向外部负载进行供电;特别是当高压电池的荷电状态小于SOC II 时,在使用燃料电池向外部负载进行供电的同时,对高压电池进行充电,防止其荷电状态处于较低水平。当高压电池的荷电状态≥SOC I时,可通过控制DC变换器20以允许高压电池放电,并将该部分放电电力供应到外部负载上;另一方面,若此时外部负载的功率小于燃料电池的最小生成功率(从功率产生效率来看),可停止操作燃料电池使其进入idle-stop状态,仅由高压电池对外部负载供电。总之,在高功率控制模式下,最大化地利用燃料电池产生电力对外部负载进行供电,最大程度减少高压电池的充放电。

S3:判断燃料电池状态。当燃料电池处于正常状态时,执行正常操作;当判断燃料电池处于水淹状态时,需要调整至合适电流密度以及增大空气流速来使燃料电池恢复至正常状态;当判断燃料电池处于干燥状态时,需要停止向燃料电池供应空气而使燃料电池恢复正常状态。此时要求高压电池可单独向外部负载进行供电,因此必须确保高压电池的荷电状态保持在可单独对外部负载进行供电的最低水平(即SOC II)以上,可通过操作DC变换器以抑制高压电池输出电压的升高。

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:CN109888336B。

3.3.1 CN109888336B——燃料电池水含量的控制方法

对于PEMFC而言,只有当质子交换膜充分润湿时,才能实现质子的高效传导。湿度过高(水淹)或过低(干燥)都会影响膜的质子传导性能。因此,湿度控制对于燃料电池的效率和性能至关重要。在现有燃料电池系统中,可间歇性地开启阳极侧的排气排水阀,通过改善阳极侧排水来平衡湿度,以提高系统性能和耐久性。在燃料电池系统稳定工作时,由于阴极侧空气压力不变,当排气排水阀进行动作时,会使质子交换膜两侧压差发生变动,特别是当压差频繁进行波动时,可能会使质子交换膜发生机械损伤。

基于此,CN109888336B提出了一种燃料电池水含量控制方法,在进行水含量调整的过程中,可使质子交换膜两侧的压差波动最小化。具体为:


图3-12 US20200055422A1控制流程图

S1:首先获取燃料电池的含水量,判断含水量是否在正常范围内;

S2:当含水量不在正常范围内时,调整用于控制排气排水阀的吹扫控制信号的频率、占空比以及阳极循环泵转速;

当燃料电池含水量低于正常范围时,减小吹扫控制信号的频率、占空比,并将阳极循环泵的转速调整至“目标转速”。“目标转速”确定:可通过以预设幅度增大转速,获取转速增大后燃料电池的含水量,若此时含水量≤转速增大前的燃料电池含水量,则可确定“目标转速”。

当燃料电池含水量高于正常范围时,增大控制信号的频率、占空比以及增大阳极循环泵的转速;

S3:根据调整后的用于控制排气排水阀的吹扫控制信号的占空比、阳极循环泵的转速以及燃料电池的阳极侧目标压力,计算用于控制氢气系统中的喷射电磁阀的喷射控制信号的喷射占空比。

喷射占空比计算方法:首先确认阳极侧目标压力(即,阴极侧压力值);根据阳极侧目标压力以及阳极循环泵转速,计算得到补偿通过阳极循环泵的氢气流量所对应的前馈占空比DR1;基于阳极侧出口压力及阳极侧目标压力,确定用于修正DR1、补偿通过排气排水阀排出的氢气流量对应的前馈占空比DR2以及补充电堆反应消耗的氢气流量对应的前馈占空比DR3,补偿偏差影响的反馈占空比DRf。将DR1、DR2 、DR3以及DRf相加可得到喷射占空比。

S4:根据喷射占空比的大小控制喷射电磁阀的开启时间,为燃料电池的反应电堆提供氢气。

3.4 其他燃料电池系统控制相关专利一览



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