三、部分申请人及公开专利介绍

3．1 丰田公司

2020年6月，丰田公司在燃料电池领域共公开专利75件，主要涉及系统控制、电堆、整车、氢系统等技术分支。

下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为US20200203739A1、JP2020087773A。其中，US20200203739A1涉及降低执行催化剂性能恢复过程中的电能消耗和发热、JP2020087773A涉及燃料电池停机后的气体吹扫。

3．1．1 US20200203739A1——燃料电池系统

随着燃料电池运行时间增加，催化剂表面会附着有毒物或者氧化膜，影响燃料电池发电效率。丰田公司通过使燃料电池的电压降低到催化剂发生还原反应的电压值来恢复催化剂性能，并且在该领域申请了大量专利。本专利主要是通过设计催化剂恢复过程中的工作点来降低催化剂恢复过程中的电能消耗和发热。

通常而言，执行催化剂恢复过程如图3－1所示，图中E0为电堆理论电动势，D1－D4分别为不同工况IV曲线的工作点，其中D1为电堆处于空闲运转状态下的工作点，其功率满足电堆运行时各种辅助设备的功率消耗。当执行催化剂恢复操作时，电堆工作点沿着D1－D2－D3－D4依次改变，D4对应的电压值α即为执行催化剂恢复的电压值。从电堆运行原理可以看到，在D1－D4各个工作状态下，电堆输出功率逐渐减小（参考下图左侧不同工作点对应的功率示意图，其中浅色斜线区域为电堆输出功率H1），而电堆发热值则持续增加（参见不同工作点对应的功率示意图，其中深色斜线区域为电堆发热功率H2），因此在整个催化剂恢复过程中，电堆持续进行发电和发热。

图3－1 现有技术中执行催化剂恢复过程示意图

为了避免上述问题，降低催化剂恢复过程中电堆的发电和发热量，丰田对工作点移动方式进行了优化，参见图3－2。丰田公司先让电堆处于暂停发电状态（即图3－2中E1位置），然后减少阴极气体的流量，而由于电堆交叉泄露效应（阴极气体扩散至阳极侧），电堆的开路电压持续下降，即沿着E1－E2－E3－E4变化。而由于此时电堆停止发电，因此不存在发电功率和发热功率消耗。当电堆开路电压降低至C4曲线的开路电压E4时，电堆开始恢复发电，从工作点E4过渡至D4，从而实现催化剂恢复操作。通过上述改进，丰田公司极大的降低了执行催化剂恢复过程中的电堆发热，这样即使燃料电池汽车没有处于行驶状态，也不需要担心没有足够的冷却风对电堆散热系统进行冷却。

图3－2 改进后的电堆催化剂恢复操作过程

3．1．2 JP2020087773——燃料电池气体吹扫方法

当燃料电池停止发电后，即使停止向电堆供应燃料气体和空气，电堆中残存的燃料气体和空气也会缓慢的进行发电，直至燃料气体消耗完毕。在这个过程中，容易产生较高的输出电压而导致催化剂劣化并影响燃料电池的使用寿命。现有技术中使用空气或者惰性气体吹扫的方式来快速清除燃料气体，但是依然存在吹扫不彻底的问题。

为了解决上述问题，丰田公司在使用惰性气体进行吹扫的基础上，加大了惰性气体的压力，通过施加大于电堆空气侧压力的惰性气体（如氮气、氦气和氩气）对燃料气体通道进行吹扫。由于燃料气体侧的压力大于氧化剂侧通道的压力，残存在阳极侧电极催化剂层内部的氢离子有效地向电解质膜侧移动。由此促进了残留在阳极侧电极催化剂层内的氢离子渗透到电解质膜中并与残留在阴极侧电极催化剂层内的氧反应而被消耗。

3．2 现代公司

2020年6月，现代公司在燃料电池领域共公开专利52件，主要涉及电堆、系统控制、空气系统等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为CN111313058A、US20200185734A1。其中，CN111313058A涉及燃料电池系统氢供应控制方法、US20200185734A1涉及通过优化电堆电压控制方法以减小催化剂劣化的速度。

3．2．1 CN111313058A——燃料电池系统的氢供应控制方法和系统

在燃料电池系统中，氢气供应系统如3－3图所示，从储氢罐中供应的氢气和阳极中未反应的氢气通过喷射器再次供应到电堆阳极中，而燃料电池系统运行时需要通过压力传感器测量氢气压力进而确定氢气的使用量。此时喷射器后端的空间内处于湿度较高的状态，对于压力传感器的制造带来了极大的挑战。

图3－3 燃料电池氢气供应系统示意图

为了避免上述问题，现代公司没有在喷射器后端直接设置氢气压力传感器，而是在氢供应阀和喷射器之间设置压力传感器20，利用前端的压力传感器来测量喷射器后端的压力。具体测量方式如下：压力传感器20可以测量氢供应阀10和喷射器30之间的压力P2，而喷射器30的后端的压力等于电堆阳极的压力P3。当氢供应阀10打开时，由压力传感器20测量的压力值P2与阳极的压力值P3不相同。然而，当氢供应阀10关闭时，由压力传感器20测量的压力值P等于阳极的压力值P3。

参考图3－4可以更清楚地理解阳极的压力P3与喷射器30的喷嘴的前端上的压力传感器20的测量值P2之间的关系。通常，当氢供应阀10打开时，储存在压力容器中的高压氢气可被供应到喷射器30侧，并且氢气可以通过喷射器30的喷嘴喷射到阳极。此时压力传感器20不能测量喷射器后端的压力P3。

而当氢供应阀10处于关闭状态，即氢供应阀中的柱塞向下移动时，氢供应阀10可以关闭，并停止供氢。经过一段时间后，氢供应阀10的后端和喷射器30的喷嘴的前端的压力P2，变得等于喷射器30的喷嘴的后端的压力，即阳极的压力P3。由此可以通过压力传感器20来估计电堆阳极的压力P3，而不需要对压力传感器进行特殊设计，以适应阳极高湿度环境。

图3－4 喷射器的喷嘴的前端和后端的压力状态示意图

3．2．2 US20200185734A1——燃料电池堆的电压控制方法

燃料电池在运行过程中，如果输出电压过高会引起催化剂劣化，甚至导致电堆发生故障。因此在燃料电池系统中，会基于燃料电池电堆的特性设置一个参考电压，控制电堆的输出电压小于参考电压，以保障电堆的使用寿命。然而，随着燃料电池系统的使用，电堆的性能在发生改变，一直使用同一个参考电压可能难以起到防止催化剂劣化的作用。

基于上述问题，现代公司在燃料电池控制系统中设置了可变的参考电压，基于电堆的运行状态实时调整参考电压值，以保证不同情况下电堆的输出电压都不会引起催化剂劣化，从而保证了电堆的使用寿命。电堆的性能可以基于电堆能够产生的最大电流值进行评估，参见下图，当燃料电池刚开始投入使用时，电堆性能为曲线“A”，随着燃料电池的使用时间增加，其性能曲线逐渐变化为曲线“B”和曲线“C”，从图中可以明显看到，相同的参考电压在不同曲线上会产生不同的电流，因此也可以指示电堆性能的变化情况。当电堆性能发生明显变化时，则参考电压也要随之变化。例如电堆刚开始使用时，参考电压为V0，随着燃料电池的使用时间增加，电堆性能下降，则其参考电压可以调整为V1，甚至V2。通过这样的改进，可以基于电堆的性能参数设置合理的参考电压，由此也可以提高电堆的使用寿命，减小催化剂劣化的速度。

图3－5 电堆性能曲线示意图

3．3 智能能源（Intelligent Energy）

2020年6月，智能能源公司在燃料电池领域共公开专利11件，主要涉及电堆、热管理等技术分支。

下文分析的智能能源公司燃料电池相关专利的专利公开号为EP2865036B1。EP2865036B1主要涉及燃料电池冷却系统。

3．3．1 EP2865036B1——燃料电池冷却系统

燃料电池在运行过程中会产生大量的热量，因此需要高效的散热系统将热量排出。在风冷型电堆中，尤其是开放阴极电堆，空气同时作为冷却剂和氧化剂。然而，当环境温度较低时，电堆会发生冻结，此时希望能够调整冷却空气的冷却效率，促使电堆尽快升温至最佳工作温度。现有技术中的常规做法是将阴极废气中的全部或者一部分再次循环进入电堆，但是这种方案会增加管路从而导致电堆体积变大，此外冷热空气混合后很容易产生凝露或冷凝水。

本方案是采用了百叶窗的角度来调节阴极废气排除和留存的比例。如下图所示，通风系统1包括百叶窗板2、风扇容纳箱3和空气过滤器箱4。百叶窗板2具有数个百叶窗5，调整百叶窗5的角度或位置可以改变通过面板2的空气流。

图3－6 通风系统结构示意图

百叶窗板具体结构如下图所示，其包括隔板22a、22b、22c以及百叶窗5a、5b、5c、5d，其中百叶窗5a和5b布局于隔板22a两侧，且可以沿一侧轴开闭，同样的百叶窗5c和5d布局于隔板22c两侧，分别沿各自一侧轴旋转开闭。当百叶窗调节至水平位置时，系统处于完全非再循环方式，风扇吸入冷却空气经过电堆并通过百叶窗完全排出，此时冷却效果最好。当百叶窗调节至垂直位置时，即处于完全再循环状态，上下两侧的风扇分别设置为不同的旋转方向，这样进入冷却空气经过电堆升温后，经过充气室51又再次循环进入电堆，此时可以实现最小的冷却效果，保证电堆尽快升温。当百叶窗位置处于倾斜位置时，即处于部分再循环方式，此时风扇吸入冷却空气部分的再次进入电堆，由此降低电堆冷却效果，通过调节百叶窗的倾斜角度，可以控制冷却效果削弱的程度。

图3－7 百叶窗结构示意图

图3－8百叶窗设置与循环方式示意图

3．4 国内整车厂燃料电池相关专利一览