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2020年10月燃料电池领域全球专利监控报告

时间:  2020-11-30 14:53   来源:  燃料电池专利情报    作者:  网络转载

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2020年10月燃料电池全球专利监控报告全新发布。本期监控报告的内容主要包括三个部分,分别为:

1、2020年10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,具体专利技术包括丰田公司金属双极板密封结构;现代公司具有改进离子通道连续性的膜电极组件及其制造方法、燃料电池不可逆状态检测以及处理方法;戴姆勒公司燃料电池低温启动方法。

一、整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2020年10月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1246件。本月,中国地区专利公开数量与上月(649件)而言有一定增加,主要为发明专利授权公告和实用新型专利公告数量有一定上升。部分公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。

2020年10月燃料电池领域全球专利监控报告
部分地区燃料电池专利10月公开/授权情况

1.2 专利技术分支情况

2020年10月燃料电池领域全球专利监控报告
燃料电池专利10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92件,数量较上月有一定下降,其中发明申请和发明授权数量分别为43、49件;格罗夫公开专利63件,其中实用新型专利共计58件;现代公司共公开专利33件、LG公司共公开专利24件,两者发明授权专利数量均为17件;大阪瓦斯和格力电器均公开专利14件、博世公司和森村SOFC均公开11件。

2020年10月燃料电池领域全球专利监控报告
标准化申请人专利10月公开/授权排名

在燃料电池热管理方面,武汉众宇动力提出了一种燃料电池加热装置,该加热装置可检测其所在环境温度,当温度过低时,可对电堆进行加热,保障电堆可在低温环境下顺利启动;江淮汽车提出一种热管理系统,通过在小循环支路设计辅助水加热方案以及在水路系统增加一路辅助空调水暖换热系统,来实现燃料电池堆低温快速启动、废热回收利用等;东风汽车提出一种氢燃料电池车专用风水电一体式热交换器,具有多种换热功能且换热效率高。

二、国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂10月专利公开情况

国内整车厂在10月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利63件,主要涉及燃料电池车辆相关的专利;长城汽车公开专利10件,主要涉及空压机、电连接器、加湿器等;奇瑞汽车公开专利9件,主要涉及供氢、动力设备、氢系统检测等;郑州宇通公开专利9件,主要涉及加氢、排水、系统控制等;中国一汽公开专利7件,主要涉及热管理、空压机、系统控制等。其他在10月公开相关专利的整车厂还包括北汽集团、东风汽车、江淮汽车、广汽集团等。

2.2 燃料电池企业10月专利公开情况

国内燃料电池企业在10月的专利公开情况如图2-2所示。其中,湖北德普电气公开专利16件,主要涉及燃料电池相关测试技术、水/热管理等;格力电器公开专利14件,主要涉及双极板、FC直流微网系统、冷却等;国鸿氢能公开专利13件,主要涉及电堆组装、吹扫、启动控制与功率控制等;浙江高成绿能公开专利10件,主要涉及燃料电池活化、测漏等;亿华通公开专利9件,主要涉及空气系统、供氢测试、FC物流车等。其他在10月公开相关专利的企业还包括上海氢晨、风氢扬、上海捷氢、南京金邦动力、潍柴动力、新柯力化工、鄂尔多斯市国科能源、魔方新能源等。

2.3 科研院所(校)10月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在10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17件,主要涉及膜电极及其组件制备、双极板、热管理等;清华大学公开专利10件,主要涉及氢气路安全防护、电极制备与状态检测等;西安交通大学公开专利9件,主要涉及DMFC物料分离热平衡、氢气循环系统、催化剂制备等。其他在10月公开相关专利的科研院所(校)还包括江苏大学、吉林大学、同济大学、武汉大学、北京大学、北京理工大学等。

三、部分申请人公开专利解读

3.1 丰田公司

2020年10月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利92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JP2020177737A、JP2020173973A。JP2020177737A、JP2020173973A均涉及金属双极板。

3.1.1 JP2020177737A、JP2020173973A——燃料电池金属双极板

金属双极板在燃料电池系统中起到支撑膜电极以及对反应气体密封的作用,因此金属双极板的密封性能显得尤为重要。目前金属双极板密封主要是通过在金属双极板上设置凸起的肋部,上下对应肋部通过粘合剂或者焊接进行密封。然而在燃料电池使用过程中,长时间的压力可能导致肋部发生塑性变形,进而影响密封性能。

为了解决上述问题,丰田公司对金属双极板密封结构进行了改进,提高了金属双极板的密封性能。其改进方向分为两种:

(1)在肋部设置增强结构,提高肋部的支撑强度;

(2)对肋部侧壁结构进行改进,抵消部分压力,提升支撑效果。

具体改进方式参见下图,围绕金属双极板设置有密封线,具体为凸起的肋部结构。

对于第一种改进方式,肋部设置为弯曲的弧线,并且在弧线的凹部设置有支撑反向弯曲的肋条,肋条两端支撑在肋部。当肋部受到压力时,压力从肋部顶端传导至肋部侧面,并且进一步传导至支撑肋条上,支撑肋条可以协助提供支撑力,减少肋部的变形。支撑肋条的形状可以设置为弧形,也可以设置为三角形等其他形状。弧形肋部与支撑肋条接触部位的法线与支撑肋条端部轴线重叠,这样可以更好的起到支撑作用。

对于第二种改进方式,肋部设置有弯曲的侧壁,通过对称弯曲的侧壁抵消掉部分压力,进而减轻肋部的受力。侧壁的形状可以设置为三角形弯曲,也可以设置为弧形弯曲或者其他形状。

3.2 现代公司

2020年10月,现代公司在燃料电池领域共公开专利33件,主要涉及电堆、系统控制等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为KR1020200122038A、KR1020200122463A。KR1020200122038A主要涉及具有改进离子通道连续性的膜电极组件及其制造方法;KR1020200122463A主要涉及燃料电池不可逆状态检测以及处理方法。

3.2.1 KR1020200122038A——具有改进离子通道连续性的膜电极组件及其制造方法

通过将离聚物浸渍到多孔载体中可制备出具有热、机械稳定性能的增强电解质膜。在制备增强电解质膜过程中,需要将离聚物完全浸渍到多孔载体内部以使氢离子通道连续。现有技术在浸渍离聚物过程中,采取将离聚物多次注入至多孔载体中。在注入过程中,空气也随离聚物一起被引入至孔中,若残留在多孔载体内部的空气无法排出,则会以气泡形式残留,导致氢离子通道不连续。

基于此,现代公司提出了一种膜电极制备方法,通过在离聚物浸渍多孔载体时喷射高压气体,可有效防止增强电解质膜中残留气泡,并使氢离子传输通道连续,具体如下:

S1:多孔支撑体制备。通过粘合剂将子垫片50叠加在多孔载体10两侧以制得多孔支撑体;

S2:离聚物浸渍。将离聚物溶液涂覆至基底60上,然后将多孔支撑体的一侧层压至基底上。离聚物溶液20在压力以及毛细管现象的作用下,向多孔载体10浸渍。未浸渍的离聚物溶液保留在多孔载体10的表面形成离聚物层;

S3:高压气体喷射。S2后,向未与基底层压接触的多孔载体10的另一表面喷射高压气体,喷射压力为0.06-0.30MPa,使离聚物溶液20完全浸入并填充多孔载体10中的孔;

S4:离聚物涂覆。将离聚物溶液30涂覆至多孔载体10未形成离聚物层的一侧表面上以形成离聚物层;

S5:形成催化剂层。在多孔支撑体的离聚物层表面上形成催化剂层,催化剂层中的离聚物与离聚物层中的相同。

3.2.1 KR1020200122463A——燃料电池不可逆状态检测以及处理方法

由于燃料电池的劣化分为可逆劣化和不可逆劣化,在对燃料电池车辆进行最佳功率分配时,用于实时估计燃料电池劣化的技术是必不可少的。现有技术通过估计有效催化剂的数量来评估燃料电池的劣化,但是这种方法不能区分劣化类型,且测试结果不精准。

基于此,现代公司提出一种通过对燃料电池运行状态进行分类、控制来测量不可逆劣化的方法,具体如下:

现代根据燃料电池车辆的行驶距离,将燃料电池电堆状态分为初始寿命状态(BOL)、中间寿命状态(MID)和寿命终止状态(EOL)。当电堆处于不同状态时,有效催化剂量的变化速率不一。因此,可通过计算有效催化剂量随时间的减少率来确定不可逆劣化状态。有效催化剂量可根据数据采集部收集状态数据后计算得出,状态数据包括电解质膜含水量、空气/氢气电极压力,冷却水温度、电堆电流和电压。

当燃料电池处于停机状态时,有效催化剂(相对)数量最大。当燃料电池从停机状态转变为输出状态时,有效催化剂数量开始实时变化。因此,在估计有效催化剂量前,需要首先确认燃料电池的停机\输出状态。当确认到燃料电池从停机状态转变为输出状态时,开始实时监测有效催化剂的数量变化。

然而,在实际监测有效催化剂数量变化过程中,现代发现有效催化剂数量会在最大值保持一段时间然后才开始减少。在BOL状态下,有效催化剂数量保持在最大值的时间最长,在EOL状态下,有效催化剂数量保持在最大值的时间最短。因此,有效催化剂数量从最大值到开始减少存在延迟时间,可根据延迟时间的长短可确定电堆状态。

因此,可根据有效催化剂变化延迟时间以及减少率来综合确定电堆状态。

当确认电堆处于不可逆劣化状态时,在相同的电流输出下,相较于BOL状态,会出现电堆电压下降、产生的热量更大、发电效率下降、最大输出相对减少等情况。因此,在不可逆劣化状态下,需要对电堆工作状态进行优化,以提高燃料电池的耐久性和工作效率。例如,通过增大冷却剂的流量来提高冷却性能、通过增加反应气体的浓度来提升发电效率、限制燃料电池的最大功率并增大高压电池的输出等。

3.3 戴姆勒公司

2020年10月,戴姆勒公司在燃料电池领域共公开专利4件,主要涉及电堆、系统控制技术分支。

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EP3729549A1。EP3729549A1主要涉及燃料电池低温启动。

3.3.1 EP3729549A1——燃料电池低温启动方法

当燃料电池运行在低温环境(小于0℃)中时,在燃料电池停机后,电堆内部的水分会冻结,进而影响燃料电池的启动,因此需要针对低温环境的燃料电池启动过程进行设计。为了有效改善燃料电池冷启动过程,戴姆勒公司通过在短时间加载与随后降低阳极压力之间的多次切换,可以实现燃料电池的低温启动,具体启动过程如下:

步骤0:燃料电池停机后,由于气体交叉泄露会导致阳极掺杂有氮气等气体,因此需要进行吹扫。该步骤中,氢气阀门打开,提升了阳极氢气压力,同时排气阀开度较小,可以保证氢气充分充满阳极空间。

步骤1:吹扫步骤。此时排气阀开度增大,阳极空间内的氢气被排放到外部,进而提高了阳极内氢气的浓度,即完成阳极吹扫步骤。同时,空气压缩机开始工作,向阴极供应空气。

步骤2:减少排气阀开度,提高阳极空间内氢气压力,同时提高阴极空气流量,燃料电池进入发电状态,此时尽可能让燃料电池输出大电流,以加速电堆升温过程。

步骤3:通过关断电流来减小燃料电池电功率,同时氢供应机构被关断且排气阀被打开得更大。由此阳极氢气压力降低,同时空气供应减小。

此时,在步骤2和步骤3中循环进行,直到燃料电池达到可以正常发电的状态。衡量燃料电池状态的参数可以是电堆温度,也可以直接采用最大重复次数、能量总量、电流积分、适当的极化曲线等。

步骤N:当燃料电池进入正常发电状态,减少排气阀开度并提高阳极氢气压力和空气流量,输出较大电功率。

 

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