燃料电池领域全球专利监控报告（2020年09月）

2020-10-31 11:02

导读

各位读者大家好，2020年9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9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增加燃料电池从间歇发电转换为通常发电时的过程控制以及平衡燃料电池电堆内部的水分分布；现代公司通过紫外线粘合剂涂层来防止生成水向电解质膜移动以及改善电极层与电解质膜之间的界面结合力；本田公司以低成本对燃料电池输出进行检查；博世公司通过使电堆保持相对干燥来减少停机时吹扫液态水的能量消耗。

一、整体情况介绍

1．1 专利公开地域情况

2020年9月，燃料电池领域在全球范围内公开／授权的专利共1224件，较上月相比（1124），数量有一定下降。本月，中国地区专利公开数量与上月（581）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。

图1－1 部分地区燃料电池专利9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9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118件，其中发明申请和发明授权数量分别为75、40件；日产公司公开专利30件、现代公司公开专利29件、本田公司公开专利27件；潍柴动力公开专利21件；格罗夫公开专利20件，其中实用新型共计18件；大洋电机和日本碍子均公开专利14件。

图1－3 标准化申请人专利9月公开／授权排名

在燃料电池测试平台方面，武汉中极氢能公开了燃料电池测试台用氢气循环装置、气体加湿装置以及图形用户界面；北京新研创能在现有电堆测试平台的基础上增加了在线内阻检测单元；科威尔公开了一种可满足大功率燃料电池发动机测试需要且能同时满足功率等级向下兼容的测试需要的燃料电池测试台；武汉海亿新能源公开了一种机柜式电堆测试平台结构，该测台为三柜式布局结构，其空气系统、水路系统、氢气系统三大子系统的布局在空间上进行了分隔处理；大连锐格新能源公开了一种燃料电池氢气循环泵测试台用氢气回收装置。

二、国内申请人专利公开情况

2．1 国内整车厂9月专利公开情况

图2－1 整车厂9月专利公开情况

国内整车厂在9月的专利公开情况如图2－1所示。其中，格罗夫公开专利20件，涉及较多与燃料电池车辆结构、部件相关的专利；郑州宇通公开专利7件，主要涉及热管理、系统控制以及吹扫控制等；中国一汽公开公开专利6件，主要涉及电堆冷启动能力评估方法、膜电极密封装置的制备夹具以及去除GDL中的水的方法；东风汽车公开专利5件，上汽集团公开专利4件；长安汽车、长城汽车均公开专利3件，其中长安汽车公开的专利主要涉及车用燃料电池能量分配和氢泄漏检测。

2．2 燃料电池企业9月专利公开情况

图2－2 燃料电池企业9月专利公开情况

国内燃料电池企业在9月的专利公开情况如图2－2所示。其中，潍柴动力公开专利21件，主要涉及氢燃料电池输出功率控制、电堆封装结构、阳极保护结构以及SOFC相关专利等；大洋电机公开相关专利14件，主要涉及冷启动、氢气循环装置以及空压机控制等；无锡先导公开专利11件，主要涉及膜电极及其组件的制备方法和制备装置、双极板生产线、电堆生产线等；上海捷氢、浙江氢谷均公开专利9件，其中浙江氢谷公开的专利主要涉及排放回收，具体包括尾气水分离装置、氢气与空气混合及液相存储器等。其他在9月公开相关专利的企业还包括武汉中极氢能、河南豫氢、魔方新能源、上海杰宁新能源、锋源氢能、上海电气、深圳国氢、爱德曼、明宇新能源、上海骥翀等。

2．3 科研院所（校）9月专利公开情况

图2－3 燃料电池科研院所（校）9月专利公开情况

燃料电池相关科研院所（校）在9月的专利公开情况如图2－3所示。其中，吉林大学公开专利8件，主要涉及动力系统能量管理、水回收装置、氢气尾排气装置以及排放优化装置等；武汉船用电力推进装置研究所公开专利6件，主要涉及石墨双极板制造、碳纸疏水预处理以及燃料电池注胶模具等；华南理工大学公开专利5件，主要涉及催化剂、膜电极制备等。其他在9月公开相关专利的科研院所（校）还包括中科院大连化物所、同济大学、西安交通大学、电子科技大学、清华大学等。

三、部分申请人公开专利解读

3．1 丰田公司

2020年9月，丰田公司在燃料电池领域共公开专利118件，主要涉及电堆、系统控制、空气系统等技术分支。下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为JP2020140931A、JP2020149843A。JP2020140931A主要涉及燃料电池从间歇发电转换为通常发电时的过程控制；JP2020149843A涉及平衡燃料电池电堆内部的水分分布。

3．1．1 JP2020140931A——燃料电池系统控制

当燃料电池车辆短暂停止时，为了抑制各单电池电压下降，此时仍会供给燃料气体和氧化气体（先供应燃料气体，再供应氧化气体）。另外，为了将各单电池的电压维持在规定的电压范围内会暂时停止发电，即间歇运转。当从间歇运转状态切换至通常运转状态时，出现了以下问题：由于阳极侧上存在水堵塞造成部分电池发生燃料气体供应不足，此时阳极侧电势增加，引起电压反转现象，阳极催化剂发生劣化。另外，由于部分电池中氧化气体过量供应，使得电池电压升高并超过氧化还原电位，使得阴极催化剂发生劣化。

图3－1－1 JP2020140931A燃料电池系统示意图

为了防止从间歇运转切换至通常运转状态时燃料电池性能发生下降，专利JP2020140931A提出了一种燃料电池系统（见上图）控制方法，通过向电堆供应和循环比实际需求量更多的燃料气体，来抑制燃料气体缺乏引起的阳极催化剂劣化。另外，在供给更多燃料气体的同时，吹扫出阳极侧不均匀分布的液态水，并将阴极侧不均匀分布液态水从阴极侧向阳极侧吹扫出。具体控制流程如下：首先，控制单元700执行通常发电过程，当指示执行间歇运转时，控制单元将各单电池的电压维持在预定范围内；当间歇运转结束转变为通常发电过程时，控制单元执行过渡处理，将燃料气体供给量设定为大于电堆所需发电量相对应的燃料气体量，并使其充分循环；在完成足够的燃料气体供应后，开始供给所需的氧化气体量，使燃料电池开始发电，并同时通过电池单元监控器580获取每个单电池的电压；当单电池电压升高并接近氧化还原电压ORP时，控制单元执行增加发电量命令，使单电池电压低于其上限电压Vcu；当氧化气体供应量达到要求值时，控制单元结束过渡过程中并使燃料电池转变为通常发电过程。

图3－1－2 JP2020140931A燃料电池系统控制流程图

3．1．2 JP2020149843A——平衡燃料电池电堆内部的水分分布

燃料电池中膜电极的湿度会直接影响燃料电池发电性能，当燃料电池长时间高功率运行时，膜电极温度较高，容易因缺水而导致膜电极干燥进而导致发电效率降低。而在燃料电池电堆内部，水分分布不均衡，在阴极气体和阳极气体入口侧，气体较为干燥；而随着阳极气体反应生成水分，在阳极气体下游水分逐渐升高，甚至产生液态水。与此同时，阳极气体下游的液态水会通过电解质膜渗透到阴极侧，导致相同部位阴极侧气体水分含量较高。为了解决高温状态下燃料电池膜电极缺水以及电堆内部水分分布不均匀的问题，丰田公司在设计气体流道时进行了改进，将阳极气体和阴极气体的流道设计为流动方向相反，并且在气体流动路径上设置有气体阻力改变结构，使得进气端和排气端的气体阻力较小，而中间部位气体阻力较大，由此强迫气体充分与电解质膜接触，使得气体携带的水分充分湿润膜电极。参见下图，阳极气体由左上角进入，由右下角排出，而阴极气体由左下角进入，由右上角排出，阳极气体和阴极气体流动的方向相反，这样阴极气体的排气端即为阳极气体的进气端，此时阴极气体水分较高，水分由电解质膜渗透到阳极侧，可以充分湿润阳极气体进气端的干燥气体。

图3－1－3 JP2020149843A气体流动示意图

此外，丰田公司还在双极板（隔板）上设置了节流部16，节流部16位于双极板的槽中，可以改变气体流动的阻力。节流部16分别设置于气体进气端和排气端，当气体由进气端经过节流部16进入膜电极时，节流部16减少了气体通道的横截面积，因此可以迫使气体更多的经过气体扩散层到达催化剂层。而在排气端，膜电极中间的气体经过化学反应，气体量减少，此时排气端的节流部16可以让气体更多的保留在膜电极中间部位，也能减少气体流出时带走水分，提高膜电极中间部分的湿度。由此，丰田公司通过设置节流部能够进一步平衡电堆内部的水分分布，避免膜电极过度干燥，提升燃料电池运行效率。

图3－1－4 JP2020149843A双极板上设置有节流部

3．2 现代公司

2020年9月，现代公司在燃料电池领域共公开专利29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KR1020200109959A。KR1020200109959A主要涉及通过紫外线粘合剂涂层来防止生成水向电解质膜移动以及改善电极层与电解质膜之间的界面结合力。

3．2．1 KR1020200109959A——膜电极组件及其制造方法

阴极催化剂层处的生成水以反向扩散形式向电解质膜移动时，溶解在水中的Pt离子也会随水移动到电解质膜中并沉积其中。在燃料电池频繁启停过程中，沉积在电解质膜中的催化剂金属量增加，反应气体通过渗透可直接在电解质膜上发生反应，反应热以及反应产生的过氧化氢会使电解质膜发生劣化，甚至会使电解质膜发生穿孔。另外，随着燃料电池的运行，电极层与电解质膜之间的界面结合力会减弱，使得膜电极组件发生损坏，导致燃料电池性能和耐久性的降低。

图3－2－1 带有紫外线粘合剂涂层的MEA制作过程

为了防止生成水向电解质膜移动以及改善电极层与电解质膜之间的界面结合力，现代提出了在电解质膜表面形成一种紫外线粘合剂涂层，然后在该涂层上结合电极层。紫外线粘合剂涂层浆料可包含光引发剂、亲水性单体、功能性单体、疏水剂、溶剂以及添加剂等。制备方法为：首先混合亲水性单体和功能性单体，然后将光引发剂注入至混合浆料中并充分分散，然后添加疏水剂、溶剂以及添加剂等制备成紫外线粘合剂涂层浆料（该浆料具有300cPs至500cPs的粘度）。将紫外线粘合剂涂层浆料涂覆至电解质膜表面，然后将电极层结合至该涂层，从电极层照射紫外线来使紫外线粘合剂涂层浆料固化，形成具有较强疏水性，导电性和粘合性的涂层。其中光引发剂可选取2，2－二甲氧基－2－苯基苯乙酮，1－羟基环己基苯基酮和包含苯偶姻甲基醚的化合物；亲水性单体可选自丙烯酸2－乙基己酯（2－EHA），丙烯酸异辛酯（IOA），丙烯酸丁酯（BA），丙烯酸异癸酯（IDA）等；功能性单体可选自丙烯酸（AAC）；疏水剂可选自聚四氟乙烯（PTFE），氟化乙烯丙烯（FEP），四氟乙烯（PFA）及其组合；溶剂可选自去离子水（DI），异丙醇（IPA）及其组合；添加剂可以选自咪唑鎓盐，吡啶鎓盐，a盐及其组合。

3．3 本田公司

2020年9月，本田公司在燃料电池领域共公开专利27件，主要涉及电堆、整车、检验检测等技术分支。下文分析的本田公司燃料电池相关专利的专利公开号为US10784525B2。US10784525B2主要涉及以低成本对燃料电池输出进行检查。

3．3．1 US10784525B2——燃料电池输出检测方法

为了对电堆进行输出检查，现有技术采取让电极间流过大电流来进行燃料电池输出测量，此种测试方法需要采用耐大电流测试设备以及消耗大量的反应气体，使得测试成本较高。然而为了降低成本，仅通过使电极间流动小电流来进行输出测量，则存在精度不准确的问题。这是因为大电流测量时，由于电堆输出电流大，导致输出电压低于氧化还原电位，因此起到了还原催化剂的作用；而测试电流较小时，由于输出电压高于氧化还原电位，因此输出电压可能受到催化剂氧化状态的影响，导致测量结果不准确。基于此，专利US10784525B2提出一种燃料电池输出检测方法，在进行输出检测前对电极催化剂进行还原处理，然后采用流通小电流的方式来进行输出检测，具体如下：首先，将组装后的电池堆14设置于输出检测装置10处，具体见图3－3－1。

图3－3－1 US10784525B2燃料电池输出检测示意图

对电极催化剂实施还原处理工序，向阳极电极26供给燃料气体，向阴极电极28供给惰性气体（如氮气），同时调节电堆14的温度以及气体露点来抑制电堆发生水淹和防止电解质膜发生干燥。在供给气体的同时，通过电压施加部对电堆14施加循环升降的电压（电极催化剂还原电位0．75V，施加循环升降电压的范围为0．08～1．00V，循环2次以上）以更有效地还原电极催化剂表面。在完成还原处理工序之后进行输出测定工序，此时停止电压施加并将惰性气体供应替换成氧化气体供应，并通过通电部将阴阳极电气连接。在测定工序中，采取流通小电流的方式来进行输出检测。

3．4 博世公司

2020年9月，博世公司在燃料电池领域共公开专利13件，主要涉及电堆、空气系统、氢系统等技术分支。下文分析的博世公司燃料电池相关专利的专利公开号为DE102019202703A1。DE102019202703A1主要涉及通过使电堆保持相对干燥来减少停机时吹扫液态水的能量消耗。

3．4．1 DE102019202703A1——使电堆保持相对干燥来减少停机时吹扫液态水的能量消耗

当燃料电池系统运行在低温环境时（低于水的冰点温度），在燃料电池停机过程中必须将电堆内部的液态水进行吹扫，以避免液态水结冰对电堆造成损伤。而燃料电池吹扫过程需要空压机全功率运行20－30秒，这样就容易造成电能的浪费。

为了解决上述问题，博世公司在燃料电池气体通道上设置了气态水吸附装置4，可以将气体中的气态水进行充分吸收，由此确保电堆内部的气体水分含量很低。吸湿装置可以采用吸湿性固体如硅胶等。为了进一步提升除湿效果，可以利用冷却装置对气态水吸附装置4进行冷却，排出吸收的水分。此外，还可以利用附加的加热装置对电堆进行加热，确保除湿过程中电堆内部仅含有气态水而减少液态水含量。