燃料电池领域全球专利监控报告

燃料电池领域全球专利监控报告

全新的一期燃料领域全球专利监控报告(以下简称监控报告)新鲜出炉,赶快滑动手指来和笔者一起了解最新的燃料电池专利信息吧。本期的监控报告包括四大部分,分别为:

  1. 2019年4月燃料电池领域公开专利整体情况介绍;

  2. 重点企业及公开专利介绍(包括丰田、日产、现代、本田、中科院等);

  3. 国内申请人专利公开情况;

  4. 其他重要专利信息。

1、整体情况介绍

1.1 专利公开国家情况

2019年4月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利1220项专利族。其中发明申请公开644件,发明授权459件。具体公开的国家/地区以及数量情况见图1-1。

图1-1 各国燃料电池4月公开/授权专利情况

由上图可见,4月中国在燃料电池领域公开的专利数量最多,其次是日本、美国、德国等燃料电池技术较为发达的国家。而且中国公开的发明申请数量远远大于发明和实用新型授权专利数量,说明该领域申请人在中国的专利申请积极性较高,专利申请数量增长趋势明显,也表明了在燃料电池领域,中国正成为备受全球重视的市场。

图1-2 专利所属技术来源国排序

如图1-2所示,对专利技术来源国进一步分析,可以看到在4月公开的专利技术来源国排序中,来自于中国申请人的专利数量最多,达到了481件;而日本紧随其后,达到了380件。这说明中国申请人在燃料电池领域的研发投入产出都在持续增长,尤其是中国申请人的发明专利公开数量占比较高,说明该领域的研发投入处于明显上升趋势中。同时,日本的发明授权占比较高,反映出日本在燃料电池领域技术成熟度较高,不容小觑。

图1-3 各国公开专利的申请人来源情况

进一步分析各国公开专利的来源国,此处仅分析排名前5位的国家。由图1-3可以看到中国公开的专利以中国申请人为主,但是其他几个国家的申请人尤其是来自日本的申请人,在中国的专利数量也占据了一定的份额,也说明其对中国市场的重视性。日本公开的专利绝大多数来自于日本本土申请人,而其他国家的申请人专利数量较少,这与日本燃料电池体系较为成熟和封闭有一定关系。而美国公开的专利大多数来自于其他国家,以来自日本申请人的专利数量最多,说明日本申请人较为重视美国市场。韩国和德国的情况较为相似,其公开的专利都是以来自本国的申请人为主。

从专利布局的维度来看,日本申请人一直积极在各个国家进行专利布局,而中国申请人的专利几乎仅在中国进行了申请,很少向外布局到其他国家。这与各个国家在燃料电池领域的技术发展情况有较为密切的关系。由于日本在燃料电池领域较为领先,因此更注重在其他国家布局专利以维持技术领先优势。而中国的燃料电池技术目前处于起步阶段,申请人尚没有足够的技术实力和意识在其他国家进行专利布局。

1.2 专利技术分类情况

图1-4 燃料电池4月公开/授权专利的技术分布

将燃料电池相关专利按照整车、动力系统(燃料电池集成系统)、电堆、空气循环系统、氢气循环系统、热管理系统、控制系统、储氢相关(储氢瓶、储氢材料等)、(废气、水)排放回收等10个类别进行分类,不属于上述类别的专利申请划分至其他。从技术分布上看,与电堆相关的专利申请数量最多,达到了679项,这也与电堆技术复杂度较高有关,其技术分布如图1-4所示。

图1-5 排名前5的国家在各技术分支上专利公开情况

排名前5的国家在各技术分支上专利公开情况如图1-5所示。可以看出各个国家在电堆方面的专利公开数量都是最多的,占比在50%上下。其次是动力系统、控制系统、氢气循环系统和热管理系统等,这几个技术分支在各个国家占比都较为接近,也反映了各个国家的研发投入重点趋于一致。

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量进行统计,如图1-6所示。从申请人来看,专利公开数量排名前10位的公司中外国公司占据多席。丰田公司公开和授权的专利数量最多,达到了89件,其中发明公开43件,发明授权46件。而排名第二的日产公司与丰田公司差距很大,专利公开量不到丰田公司专利公开数量的一半。以现代公司和LG为代表的韩国企业的表现也很亮眼,分别排名第3名和第9名,其中现代公司一共公开了31件专利。除了日韩企业外,德国的大众公司、博世公司和美国FC能源公司的专利公开数量均进入前20名,其中大众公司下的申请人主要为奥迪。

图1-6 标准化申请人4月公开/授权专利排名

中国申请人方面,排名第一的是以大连化物所为代表的中国科学院相关院所,其排名为第5。接下来是排名第6位的清华大学,2019年4月21日丰田公司公布将与清华大学合作开发燃料电池车,同时将携手助推燃料电池技术扩展至所有生活层面,也能反映出清华大学在燃料电池方面的研发实力强劲。从专利公开数量来看,中国申请人的专利数量还不能与国外申请人相抗衡,这也反映了中国企业在燃料电池领域技术积累和储备不足,研发投入不足的现状。虽然中国整体专利申请量较大,但是却没有单一申请人的申请量大,说明中国申请人在燃料电池领域的专利申请较为分散,这与日本、韩国等国家技术集中度较高有较大差异。这主要是因为国家近几年对于燃料电池补贴力度较大,从而加速了燃料电池相关企业的诞生,整个行业仍然处于百花争鸣的状态。

2、重点企业及公开专利介绍

本文选取了较有代表性的申请人进行初步分析,同时以部分技术分支专利为切入展示燃料电池领域的最新研发动态。

2.1 丰田公司

图2-1 丰田公司4月公开专利技术构成

2019年4月丰田公司在燃料电池领域一共公开了89篇专利,专利所涉及到的技术主要包括电堆、控制系统、整车集成、动力系统、热管理、储氢等。从技术构成来看,从电堆到整车、到相关的控制、配套系统,全面的专利布局充分反映出丰田在燃料电池领域技术实力雄厚。同时,从丰田之前发布的燃料电池无偿使用清单来看,也表明了丰田推动燃料电池行业发展的决心。下面对本月丰田公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)电堆——抑制中心侧密封失效

image.png

传统燃料电池制造过程中,树脂框架通过粘合剂设置在膜电极组件的外周上,整体端部被传送机器人抓持,进行压堆。然而当多个燃料电池在压堆以形成燃料电池堆时,制造出的燃料电池堆仅装载在比中心侧厚的燃料电池端部上,因此会存在中心侧发生密封失效的问题。对此,该专利公开了燃料电池及其制造方法,提供了一种发电体,其具有膜电极组件和设置在膜电极组件两侧的一对气体扩散层,以及沿着发电体表面的平面方向有一对隔板设置在发电体和树脂框架的两侧。在该燃料电池中,树脂框架包括具有厚度恒定的平坦部分和厚度小于平坦部分的薄部分,并且薄部分位于树脂框架在平面方向上的外周。该对分离器可与至少一部分的预定范围内与薄部分紧密接触以制造燃料电池堆。在此类型燃料电池中,由于薄部分与该对隔板紧密接触,预定范围和隔板彼此重叠的部分不会变得比燃料电池的中心侧厚。因此,在堆叠多个燃料电池的燃料电池堆中,仅对至少预定范围和隔板重叠的部分不施加负荷,并且可以抑制在中心处发生密封失效。

图2-2 燃料电池

制造方法是首先准备MEGA(膜电极气体扩散层组件)10、隔板20和30以及树脂框架40;接下来将上述组件进行堆叠,形成一定的位置关系;将获得的堆叠体通过机器人输送至加热压力机进行加热和加压,最终形成燃料电池堆。

图2-3 燃料电池单元的制造工艺流程图

(2)空气循环系统——空压机 image.png

分析:

在燃料电池车中,空气压缩机用于压缩空气,并且压缩空气中的氧气被供应到燃料电池的阴极。通常存在从空气压缩机的进气口和排气口发生噪音的问题。在以往的技术中,通过设置橡胶管在进气侧可在一定程度上降低噪声。另一方面,在车辆中安装空压机和增压室需要较大的空间,常常影响到其他部件的安装。对比,该专利提供了一种空气压缩机,其需要较少的安装空间并且可有效减少噪音的产生。

图2-4 空气压缩机剖视图

空气压缩机包括:压缩机构,用于压缩进气并排出压缩空气;以及进气室部分,进气通过该进气室部分被引入压缩机构。进气室部分具有进气入口和连接到压缩机构的出口。进气室部分中具有在从入口朝向出口的方向上延伸的分隔壁,以在进气室部分中形成多个流动通道。多个流动通道具有不同的流动路径长度并且在入口和出口之间连接。

丰田的此篇空压机专利在日本、美国、欧专局、加拿大都进行了布局,此空压机类型为罗茨压缩机,用于汽车燃料电池系统中提供高频进气脉动。该空压机通过设置具有差异的流动路径长度来形成相位差导致在通过相应的第一和第二腔室之后的声波在与入口相邻的进气管中的位置处彼此抵消,从而声音产生的声波的压力水平降低,使得噪音减小。同时独立权利要求也涵盖了此解决方式,保护了包含不同流动路径长度的流动通道设置的空压机。

2.2 日产公司

图2-5 日产公司4月公开专利技术构成

2019年4月日产公司在燃料电池领域一共公开了42篇专利,专利所涉及到的技术主要包括电堆、整车、控制系统等。下面对本月日产公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)控制系统——燃料电池系统及控制方法

近年来,随着环境形式越发严峻,固体高分子型燃料电池、固体氧化物型燃料电池等各种燃料电池向汽车中的利用正在被广泛研究。这类燃料电池是通过含氢、烃等的阳极气体与含氧的阴极气体的电化学反应来进行发电(温度在800℃左右)。进行了发电之后,从燃料电池排出的发电中未被使用的燃料气体(阳极废气)和空气(阴极废气)通常温度较高,需要进行降温处理。同时在使用了固体高分子型燃料电池的情况下,由于不能将含有很多氢的阳极废气直接从车辆释放到外部,因此需要利用空气将其稀释到规定的浓度以下。

图2-6 燃料电池系统主要结构概要图

基于此,CN109565063A提供一种具备接受燃料气体和氧化剂气体供给来进行发电的固体氧化物型的燃料电池系统,其第一实施例(见图2-6),燃料电池系统100包括:阳极气体供给系统20,其向燃料电池堆10供给阳极气体,具体包括阳极供给通路21、燃料罐22、过滤器23、泵24、喷射器25、蒸发器26、热交换器27以及重整器28等;系统启动系统30,其在系统启动时利用;阴极气体供给系统40,其向燃料电池堆10供给阴极气体;排气系统50,其对从燃料电池堆10排出的阳极废气和阴极废气进行排气;以及电力系统60,其与燃料电池堆10之间进行电力的输入和输出。并且,燃料电池系统100具备对系统整体的动作进行统一控制的控制部80。其中空气控制流程图如下:

图2-7 发电量调整处理流程图

(2)整车——冷启动 image.png

分析:

氢-氧燃料电池通过氧气和氢气反应以产生电、水、热。其中产生的水用于水合燃料电池的膜,其他多余的水应进行排出。然而,在零度或冷冻环境温度下或在燃料电池车辆的冷启动期间,先前操作中保留在膜中的残余水变成冰,从而阻塞燃料的阴极催化剂层中的孔。膜中的冰积聚阻止氧气流向阴极催化剂而使得燃料电池车辆在冷启动期间阴极催化剂层不活跃。若此时通入更多的氢气和氧气进行反应,可能会造成水产生得更多,由于热量通过冷却回路被吹走,会造成越来越多的水在阴极催化剂层凝聚成冰,最终导致燃料电池系统的总功率损失,车辆没有启动。

图2-8 燃料电池系统

基于上述问题,该专利提供了一种在水冷冻条件下减少燃料电池组启动期间积冰的方法,具体为,在燃料电池堆(FCS)启动期间,基于燃料电池堆的MEA的水溶性限制从燃料电池堆汲取的电力,以及一个温度计。限制所汲取的功率包括限制电流密度,并且其中功率限制包括基于提高燃料电池堆的入口温度的时间来限制从燃料电池堆汲取的电功率。以这种方式,可以将膜中的总水量(包括剩余的水和产生的水)控制在燃料电池堆的耐冰曲线内。通过从FCS获得有限的功率,其中可以基于感测的温度和水量估计在启动期间实时确定限制,可以操作FCS,同时减少由于冰形成而导致的间歇性功率损失。此外,冷却剂泵可以在冷启动期间操作以使更高流速的加热冷却剂返回,从而更快地将热量重新引回到燃料电池堆中并且减少电流限制的时间段。

日产此篇专利的发明点是通过限制从燃料电池堆汲取电力,来提高燃料电池堆入口温度,独立权利要求仅对该方法的原理进行限定了,其保护范围较大,如有采用类似技术来实现燃料电池车辆的冷启动应特别注意,防止落入其保护范围内。同时该专利进行PCT申请,不排除其日后有进入其他国家的可能。

2.3 现代公司

图2-9 现代公司4月公开专利技术构成

2019年4月现代公司在燃料电池领域一共公开了31篇专利,专利所涉及到的技术主要包括控制系统、热管理、电堆、整车等。作为韩系汽车的代表品牌,现代在燃料电池领域也有一定的建树,其专利技术覆盖技术分支较多。下面对本月现代公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)储氢相关——吸收储氢罐膨胀结构

image.png

分析:

燃料电池车辆可由氢-氧之间的化学反应产生的电力来进行驱动,氢燃料气体须通过储氢罐(700bar)进行储存。为了使储氢罐加满氢气,通常安装并固定几个通气孔在其外部,由于储氢罐进行刚性固定,使得储氢罐的膨胀不能被吸收。在加满氢气后(罐内高压),由于氢的特性,储氢罐会发生膨胀,如未能对其吸收,则应力施加到罐,如果储氢罐上应力积聚,可能会导致其爆炸。

图2-10 储氢罐结构及弹性构件

基于此,该专利提供了一种储氢罐,其外周表面上设置有带状构件,并且,在储氢罐和带状构件之间插入弹性构件,其中两个带状构件设置成围绕储氢罐的宽度方向,带状构件彼此平行安装,其中弹性件由螺旋弹簧组成,螺旋弹簧的上下表面在储氢罐和带状构件之间被压缩。

此专利的发明点为通过在储氢罐与带状构件设置弹性构件,使施加在储氢罐膨胀上的力被弹性构件吸收,可确保氢气罐的安全性并提高其耐久性。独立权利要求仅对弹性件的类型进行了限定,“弹性件由螺旋弹簧组成”,并没有对螺旋弹簧的具体形式进行限定,因此在采用类似技术实现吸收储氢罐膨胀时,应小心落入其专利的保护范围。

2.4 本田公司

图2-11 本田公司4月公开专利技术构成

2019年4月本田公司在燃料电池领域一共公开了25篇专利,专利所涉及到的技术主要包括电堆、整车、储氢、热管理等。下面对本月本田公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)动力系统——输出检查

现有一种在由固体高分子构成的电解质膜的一方的表面设有阳极电极且在另一方的表面设有阴极电极的燃料电池。作为这种燃料电池的输出检测方法,以与实际发电时的额定电流同等的电流向阳极电极和阴极电极通电,根据是否获得基准值以上的输出来判定有无异常,然而这种方法会造成成本的增加(此方法需要用于以与额定电流同等的大电流对电极间通电的大型的装置、大量的燃料气体和氧化剂气体)。当为了降低输出检测所需的成本而单纯地使输出检测时向电极间通电的电流比额定电流小时,输出检测的结果易于产生偏差,存在输出检测的精度降低的情况。

图2-12 燃料电池输出测量

基于此JP2019067635A提出了一种燃料电池输出检查方法,能够以低成本且高精度地测定燃料电池的输出,具体为:该检测方法具有氧化工序和测定工序,其中,在所述氧化工序中,对所述阳极电极和所述阴极电极所含有的电极催化剂实施氧化处理;在所述测定工序中,以测定电流向所述电极催化剂被实施了所述氧化处理的所述阳极电极和阴极电极通电且测定所述燃料电池的输出,其中所述测定电流比所述燃料电池的额定电流小。

图2-13 经过处理工序后的输出测量情况

在测定工序之前进行氧化工序,能够减小乃至消除电极催化剂氧化还原状态的偏差。在测定工序中,以比额定电流小的测定电流向阳极电极和阴极电极间通电,可不需要用于以与额定电流同等的大电流通电的大型的装置和大量的燃料气体等,相应地能以简单的结构且以低成本来进行燃料电池的输出的高精度检测。同时,在氧化工序之前具有对所述电极催化剂实施还原处理的还原工序(向所述阳极电极供给燃料气体,并且向所述阴极电极供给惰性气体,同时向所述燃料电池施加最小电压低于所述电极催化剂的还原电位的在规定范围内上升和下降的循环电压),在经还原工序之后进行氧化工序,再进行测定工序,能够实现燃料电池输出测定精度的进一步提高。

(2)电堆——双极板

image.png

分析:

固体高分子型燃料电池堆可由电解质膜-电极结构体(MEA)和隔板层叠构层,通常相互邻接的两个金属隔板,通过将外周焊接(外周接合线)来一体地接合,构成接合隔板。再这种接合隔板中,两个金属隔板中的比外周接合线靠外侧的部位彼此之间形成有缝隙。因此,当氯化物离子等成为缝隙腐蚀原因的离子流入到所述缝隙时,有可能在金属隔板的外周部发生缝隙腐蚀(氧浓差电池腐蚀)。

图2-14 构成燃料电池堆的发电单电池的分解立体图

基于此,该专利提供了一种能够抑制在金属隔板的外周部发生缝隙腐蚀、能够提高耐久性的燃料电池用接合隔板以及燃料电池堆,具体为:通过将形成有用于供反应气体沿着电极面流动的反应气体流路以及与所述反应气体流路连通的反应气体连通孔的两个金属隔板,以在两个所述金属隔板之间形成用于供制冷剂流动的制冷剂流路的方式相互层叠、且用接合线将所述金属隔板接合而构成的燃料电池用接合隔板,其特征在于,所述接合线具有:以围绕所述反应气体连通孔的方式设置的连通孔接合线;以将所述反应气体流路、所述制冷剂流路和所述反应气体连通孔整体地包围的方式在所述金属隔板的外周部设置的第一外周接合线;以及以在比所述第一外周接合线靠外侧围绕的方式在所述金属隔板的所述外周部设置的第二外周接合线。

通过接合线的形式,能够抑制在燃料电池用接合隔板中的第一外周接合线与第二外周接合线之间(金属隔板的外周部)发生缝隙腐蚀,因此能够使燃料电池用接合隔板的耐久性提高。本田此篇专利,在日本、美国、中国都有进行布局,目前已被日局授权,有采用类似技术的厂商可关注其在中国的授权动态。

2.5 中国科学院

图2-15 中国科学院4月公开专利技术构成

以大连化物所为代表的中国科学院研究院所在2019年4月共公开了25篇专利,主要涉及电堆、控制系统、储氢等。下面对本月中科院公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)电堆——双极板

燃料电池双极板是质子交换膜燃料电池中的重要部件之一,为了实现双极板所具有的各项功能,双极板设置了多种功能结构,主要包括燃料电池流场(包括燃料气体流场和氧化剂气体流场)、燃料气体进、出口、氧化剂气体进、出口、冷却剂进、出口及密封结构等功能结构。新源动力股份有限公司开发的一种燃料电池双极板(具体参见CN201611161409.7),其流场的一侧就布置了燃料气体进(或出)口、氧化剂气体进(或出)口、冷却剂进(或出)口;丰田开发的燃料电池(具体参见ZL201510770584.5),其氧化剂气体进、出口是分布在燃料电池流场一个对边的两侧,但是,该燃料电池双极板的氧化剂气体进口(和出口)是由多个矩形开口并列成一排形成的,或者可以将氧化剂气体进口(和出口)看做是一个矩形开口,并且在矩形的长边方向每隔一定距离设置一个与矩形短边平行的拉筋。由于拉筋的存在,会对燃料电池产生诸多不利影响,如减少氧化剂气体进、出口的流通面积,相应减少氧化剂气体进、出口对氧化剂气体流通的承载能力等,会对燃料电池的性能造成负面影响。

图2-16 双极板布局及流场示意图

基于此CN109616685A公开了一种燃料电池双极板结构,具体为双极板设有氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、冷却剂进口、冷却剂出口、燃料气体进口、燃料气体出口、燃料电池流体流场,其特征在于:燃料电池流体流场位于双极板的中部;氧化剂气体进口与氧化剂气体出口设置于双极板的一对对边的两边的边缘部;冷却剂进口、冷却剂出口、燃料气体进口、燃料气体出口分别设置于双极板的另一对对边的两边的边缘部;氧化剂气体进口与氧化剂气体出口的临近燃料电池流体流场的开口的宽度为a;燃料电池流体流场的临近氧化剂气体进口与氧化剂气体出口边缘处的宽度为b;a≥b。

双极板的布局:氧化剂气体进、出口位于燃料电池流场相邻边的长度方向上,氧化剂气体进、出口的宽度设计为大于或者等于燃料电池流场的宽度。这样的双极板布局,氧化剂气体从氧化剂气体进口进入燃料电池氧化剂气体流场,参与电化学反应后进入氧化剂气体出口,在整个过程中,流体的流动呈直通状态,流体在燃料电池氧化剂气体流场宽度方向的流动状态分布均匀,有利于提高燃料电池性能。

(2)电堆——复合双极板

双极板是燃料电池的关键部件,根据制备材料的不同,可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。复合双极板具有制备材料来源广泛、加工工艺简单、成本低廉、能够实现批量化生产,大幅度降低成本,流场可以直接模压成型等一系列优点,但是存在电导率和抗弯强度难以兼顾的缺点。如CN103746131A提出了一种将可溶性树脂融入有机溶剂,再灌入石墨蠕虫制备复合板的方法。该方法制备的双极板在较低的压力即可成型,具有较好的抗弯强度和电导率。但是在实验过程中采用了二次模压工艺,增加了制备过程中的工艺复杂性,降低了生产效率,还存在有机溶剂难以完全去除的难题。Daniel Adams等人采用了加入碳毡中间过渡层的方法,制得了一种“三明治”结构的复合双极板,该复合板具有较高的抗弯强度和电导率,但是制备工艺相对复杂,制备成本偏高。

图2-17 复合双极板制备工艺

针对复合双极板存在的问题,CN109599573A提出了一种碳/聚合物基复合双极板,所述双极板由PS树脂、SEBS三嵌段共聚物、导电填料、纤维增强材料组成;所述双极板中,PS树脂的质量分数为6-30%,SEBS三嵌段共聚物的质量分数为2-15%,导电填料的质量分数为50-90%,纤维增强材料质量分数为1-18%;将原料预处理、混匀后采用模压成型工艺制备而成。制备工艺具体见上图。

本燃料电池用复合双极板,通过双极板第一聚合物提供刚性、第二聚合物提供柔性,形成互穿网络的耦合设计,再对含量和结构进行优化设计,使得复合板可以在保证较高电导率的同时,兼具低的透气率、良好的机加工性、优异的电导率及耐蚀性。

2.6 清华大学

图2-18 清华大学4月公开专利技术构成

清华大学不仅为国内科研能力强大的高校之一,同时还是丰田在中国推行燃料电池技术的合作伙伴。2019年4月,清华大学在燃料电池领域一共公开了20篇专利,涉及有电堆、动力系统、热管理、整车等。下面对本月清华大学公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)整车——零下启动

商用车的零下启动方法通常包括产热和保温两种。其中产热也可以分为外部加热和系统自产热两种方式。采用外部加热的方式有:燃料电池双极板或端板加热、进气加热和冷却液加热;采用内部加热的方式目前报道的有:催化燃烧,储氢放热和相变材料三种方式。采用外部加热方式需要加热电堆,使其升温到零上,这种方式一般需要消耗大量外部能源,且装置较为复杂。采用系统自产热的方式一般通过系统自身携带的燃料或者其他材料提供零下启动的能量,这种方式能够减少外部能源的消耗,并且一般不需要破坏电池的原有结构。如专利CN200610134075.4介绍了一种利用阴极反应放热来加热电池的方法。该专利发明要点为:在-5℃~-20℃环境中,阴阳极气体氛围分别为氢气、氧气(空气),通过直流电源加载大电流,在阴极生成氢气,生成氢气与氧气在催化剂作用下发生反应放热,来进行冷启动。由于零下启动气体中基本无加湿,因此在大电流情况下极易发生膜干。此外,由于在阴极氢气与氧气反应会产生水,生成水可能会结冰,结冰带来的体积膨胀可能会破坏电池结构,引发电池老化。

基于此,CN109585882A提供了一种燃料电池零下启动方法,具体为:1)提供含氢氛围:在零下50℃到0℃的条件下,向燃料电池提供含氢氛围,氢气浓度为5%~100%;2)施加电流或电压控制:在步骤1)提供的含氢氛围下,向燃料电池施加电流或电压控制,利用燃料电池的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至所需温度或到达设定时间,完成燃料电池零下启动。其中,向燃料电池提供含氢氛围的方式可为持续或间断提供;步骤2)中施加的电流或电压为直流或者交流等。

图2-19 零下启动装置

同时,基于零下启动方法,还提供了零下启动装置,具体为:包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置;其中,供氢装置的出气口同时与燃料电池的氢气极和空气极连通,或者供氢装置的出气口与燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通,用于为燃料电池提供含氢氛围;电流发生装置的正负极分别与燃料电池的氢气极和空气极相连,用于为燃料电池施加电流或电压控制。

通过该零下启动方法和装置,可有效克服燃料电池在零下启动过程中因自产热而产水结冰、装置复杂成本高及耗能大等不足,并且该零下启动方法效率高,同时可避免水结冰带来的问题。

(2)热管理

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在发电过程中会产生与电能相当的热能,如果不能及时有效的排除产生的热能将会导致电堆温度升高,高温虽然能够提高电极反应,提高催化活性,但是过高的温度会导致质子交换膜干燥,降低膜的性能,从而降低输出特性和使用寿命,更进一步,如果温度失控,将会威胁系统以及工作人员的安全。因此对燃料电池的热管理系统及其控制方法的研究是及其重要的。针对大功率电堆而言,一般通过液体冷却的方式冷却,液体源源不断地均匀流入流出电堆并将热量带出,实现了电堆的温度控制即热管理。而液体均匀流通到每个发热单电池的关键在于,在每个单电池的极板上均有设计加工好的流场便于液体均匀流通到单电池不同的发热区域,从而将热量尽可能均匀地带出来,实现了电堆的热量管理。

图2-20 燃料电池系统示意图

基于此,CN109560304A提供了一种质子交换膜燃料电池的热管理方法,包括以下步骤:
  1. 将石墨光板或金属片两侧加工出氢气/冷却液流场通道和空气流场通道,制成双极板,所述通道有出入口;

  2. 将步骤1)制成的双极板与膜电极按照交叉叠加的方式,组装成燃料电池电堆,该电堆只有两路进出口通道,一路为氢气和冷却液共用,另一路为空气所用;

  3. 将步骤2)组装的燃料电池电堆接入到燃料电池系统,其中,将氢气子系统和散热子系统接入电堆的氢气/冷却液进出口通道,将空气子系统接入电堆的空气进出口通道;

  4. 氢气和冷却液分别通过氢气子系统的减压装置和散热子系统的水泵汇入到电堆的氢气/冷却液入口,并流入电堆的阳极流场;多余的氢气、散热用的冷却液及反应产生的水,通过电堆的氢气/冷却液出口流出电堆;

  5. 空气通过空压机输送到燃料电池电堆的空气入口,并流入燃料电池的阴极流场,反应剩余的空气及产生的水经由电堆空气出口流出。

图2-21 氢气/冷却液流场通道示意图(左);空气流场通道示意图(右)

此方法开发出一款新型的阳极燃料与冷却液并流的燃料电池双极板。采用新的燃料电池双极板工艺,仅需一块极板,就能实现之前双极板的功能,极板两侧分别为氢气和空气流场;此外,该极板省略掉了极板与极板的粘结工艺,大幅简化了工序并提高了工艺的可靠性,同时由于液体流场的省略,极板本身的厚度可大幅下降,厚度可降低20%-40%左右,大大提高了电堆的质量、体积比功率,降低燃料电池密封装配工艺难度;同时,燃料电池产生的热量主要在膜电极区域,冷却液在阳极燃料腔与燃料并流,更直接地与热量接触,提高了冷却效率。

3、国内申请人专利公开情况

目前国内燃料电池企业处于百家争鸣的态势,虽然目前还没有出现一家独大的情况,但是从专利申请情况可以对其技术研发情况做一个初步的了解。

本文按照整车厂、燃料电池企业、科研院所对燃料电池相关机构进行初步分类,并选取了部分机构统计其在2019年4月的专利公开情况。

3.1 整车厂4月专利公开情况

图3-1 整车厂4月公开专利情况

整车厂在4月的专利公开情况如图3-1所示。可以看到国内几个主流整车厂均涉足燃料电池领域,其中武汉格罗夫氢能汽车有限公司在4月公开专利数量最多,达到了4件,均为发明申请。格罗夫在燃料电池领域投入较多,致力于大规模生产氢燃料电池乘用车,目前格罗夫已发布三款氢能乘用车。上汽集团、中国一汽4月在燃料电池领域也公开了较多专利,达到了3件。

从技术分支的分布情况来看,整车厂更关注的燃料电池系统集成,围绕燃料电池车应用进行技术改进和专利申请。

3.2 燃料电池企业4月专利公开情况

图3-2 燃料电池企业4月的专利公开情况

燃料电池企业在4月的专利公开情况如图3-2所示。国内主要燃料电池集成商明天氢能在4月公开了12件专利,其次是氢璞创能和华能集团均公开了3件专利,其他企业在4月公开了相关专利的企业包括东莞氢宇、国家电网、潍柴动力、大洋电机等。值得注意的是氢璞创能有一件发明授权专利,可见氢璞创能在较早的时候就开始进行燃料电池领域技术的研发,并进行了专利布局。

3.3 科研院所4月专利公开情况

图3-3燃料电池相关科研院所4月的专利公开情况

燃料电池相关科研院所在4月的专利公开情况如图3-3所示。以大连化学物理研究所为代表的中国科学院在燃料电池领域具有深厚积累,4月中国科学院共公开了25件专利,其中授权专利12件,从技术领域可以看出中国科学院的研究领域集中在电堆方面。其次是清华大学,公开了20件专利,授权2件,可见清华大学在燃料电池的积累也较为深厚。公开数量第三、四位分为别大连理工大学和中南大学,研究领域也集中在电堆。其他几个学校公开专利的数量相对较少,且差距不大。从技术领域来看,大学研究较多的技术领域是电堆相关技术,这与国内企业注重系统集成技术形成了鲜明对比,但是这也说明国内燃料电池企业可以与高校进行合作,形成优势互补。

4、其他重要专利信息

2019年4月公开的中国专利申请中,值得关注的是有2件专利发生了专利复审。发生了专利复审的情况通常说明该专利对于申请人较为重要,因此可以重点关注。这2件专利信息如下表所示:

image.png
本文由来源[燃料电池专利情报], 由 知法号 整理编辑,其版权均为 [燃料电池专利情报] 所有,文章内容系作者个人观点,不代表 IPLaw法律社交媒体 对观点赞同或支持。如需转载,请注明文章来源。
(扫描下方二维码分享朋友圈)

最新评论

  1. 暂无评论,赶紧抢沙发啦!

发表评论

关闭下载