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2019年11月燃料电池领域全球专利监控报告

时间:  2019-12-26 15:35  来源:  燃料电池专利情报   作者:  网络转载

本期监控报告的内容主要包括三个部分,分别为:

1、2019年11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分析,主要涉及燃料电池系统控制相关专利的分析。

正文:

1、整体情况介绍

1.1 专利公开地区情况

2019年11月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共912件,较上月相比,数量有一定的下降。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11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11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61件,发明授权公开39件,发明申请公开22件;LG和现代公司的专利公开数量均为28件,其中LG公司公开的专利中,有提及到通过人工智能单元来改变燃料电池堆工作条件的技术;松下公司、本田公司的专利公开数量分别为25件、17件。


图1-3 标准化申请人专利11月公开/授权排名

另外,在11月公开的专利数据中,申请人“熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司”共公开了19件与燃料电池相关的专利,并对其“带电粒子分离装置”通过了12篇发明专利进行了保护,在这些专利文本中提及到“电解质(例如质子膜)一直是制约燃料电池技术发展的瓶颈,因此,发明了一种新型带电粒子分离装置”。

2、国内申请人专利公开情况

本文章按照国内整车厂、燃料电池企业和科研院所(校)对燃料电池相关机构进行分类,并选取了部分机构统计其在2019年11月的专利公开情况。

2.1 国内整车厂11月专利公开情况

国内整车厂在11月的专利公开情况如图2-1所示。其中武汉泰歌共公开专利共5件,格罗夫、中国一汽、中通客车均公开了4件专利,奇瑞汽车公开了3件专利。其他在11月公开了相关专利的整车厂还包括东风汽车、宇通客车、元城汽车等。


图2-1 整车厂11月专利公开情况

2.2 燃料电池企业11月专利公开情况

国内燃料电池企业在11月的专利公开情况如图2-2所示。其中,锋源氢能和格力集团均公开了10件专利,主要涉及燃料电池电堆等;雄韬氢雄和潍柴动力分别公开了9件和8件专利;势加透博公开的专利中,其技术主要涉及空压机;其他在11月公开了相关专利的企业还包括华能集团、众宇动力、氢璞创能、荣创新能、武汉中极氢能、兆业新能源等。


图2-2 燃料电池企业11月专利公开情况

2.3 科研院所(校)11月专利公开情况

燃料电池相关研究科研院所(校)在11月的专利公开情况如图2-3所示。其中,清华大学公开的相关专利较多,共9件,有6件为发明专利申请,主要涉及燃料电池电堆等。天津大学和武汉理工大学均有4件专利公开,其中天津大学有两件发明专利授权。


图2-3 相关科研院所(校)11月专利公开情况

3、部分申请人及公开专利介绍

本月第3节将重点分析与燃料电池系统控制相关的专利,并对涉及到的主要申请人的专利技术分布情况进行简要介绍。

3.1 丰田公司


图3-1丰田公司11月公开专利技术构成

2019年11月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利61件,主要涉及电堆、控制系统、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公开号为:US10486543B2、US10483572B2、DE112008003022B4。

3.1.1 US10486543B2——用于燃料电池车辆的电压控制装置

燃料电池车辆通常设置有可充放电的二次电池。二次电池的作用有许多,例如可将燃料电池产生的电力储存起来或者在燃料电池电力供应不能时,将其电力供应到驱动马达上。在燃料电池车辆加速过程早期,通常使用二次电池的电力来驱动空气压缩机。如果二次电池SOC处于低水平或者其所处环境温度较低,会使得二池电池的输出受限,因此不能给空气压缩机提供充足的加速所需电力,使得燃料电池发电启动延迟以及驱动马达的加速时间增长。

为了解决上述问题,现有技术通过将燃料电池设定在发电备用状态下来确保燃料电池车辆加速早期阶段的驱动马达驱动力,然而在此种情形下,可能导致二池电池因过度充电而发生劣化。

基于此,US10486543B2提出了一种用于燃料电池车辆的电压控制装置,可确保在二次电池输出受限时的车辆加速响应性,具体为:

电压控制装置100包括燃料电池10、FC升压转换器20、FC继电器电路30、电力控制单元(PCU) 40、二次电池 50、控制单元60、二次电池继电器电路70、辅助电池105、空气压缩机MG1和驱动马达MG2等。


图3-2 电压控制装置100示意图

当控制单元60确定出能够从二次电池50供应到空气压缩机MG1的电力小于空气压缩机的加速维持电力下限值时:

方式一:控制单元60将车辆中的辅助机器(如辅助马达25、26,辅助逆变器23、23,加热器27等)设置为消耗状态,使得燃料电池产生的电力被辅助机器消耗以防止二池电池过度充电;当车辆作出加速请求时,控制单元60通过控制以减少辅助机器的电力消耗,并将此部分电力供应至空气压缩机MG1以使空气压缩机MG1加速(或者供应至驱动马达MG2);

方式二:控制单元60将空气压缩机设置为消耗状态(如增大旁通通道中阀的开度),使得燃料电池产生的电力被空气压缩机消耗以防止二次电池过度充电;当车辆作出加速请求时,控制单元通过控制以减小旁通通道中阀的开度,使得从空气压缩机供应至燃料电池的气体量增加,以使燃料电池产生的电力增加,因此能够在早期阶段将燃料电池产生的电力供应至驱动马达,使驱动马达MG2的加速时间减少。还可以理解为,控制单元通过减少空气压缩机MG1的电力消耗并将此部分电力供应至驱动马达MG2,使驱动马达MG2的加速时间减少;

方式三:控制单元60使电容器41维持在升压状态中以防止二池电池过度充电,当车辆作出加速请求时,控制单元60将电容器41中的电力供应到空气压缩机MG1以使空气压缩机MG1加速时间减少,因此能够在早期阶段将燃料电池中产生的电气供应至驱动马达MG2中,使驱动马达MG2的加速时间减少。

通过上述控制,可有效防止二次电池过充以及确保燃料电池车辆良好的加速响应性能。


图3-3 US10486543B2控制单元控制流程示意图

3.1.2 US10483572B2——燃料电池系统中冷却介质的流量控制方法及燃料电池系统

燃料电池系统包括由多个单电池层叠而来的燃料电池堆。在现有技术中,为了使燃料电池系统在冰点下顺利启动,通常采用关闭冷却水供应泵,使得在冷却水不循环的状态下快速对发电部位进行升温(可参见专利JP2010186599A)。然而,位于电堆端部的单电池较难升温,若没有流经其他单电池的冷却水携带废热给端部单电池加热,会使得电堆整体上升至规定温度的时间变长,且电堆内部的温度分布不均匀。


图3-4  US10483572B2燃料电池系统示意图

基于上述技术问题,US10483572B2提出了一种燃料电池系统中冷却介质的流量控制方法及燃料电池系统,控制方法主要为:

(1)首先判定流向电堆内部的冷却介质循环流路(R1)入口处(P1)的冷却介质温度(即入口温度)是否在0℃以上:温度比较判定部610测定冷却介质循环流路出口处(P2)的温度是否在0℃以上,若小于0℃,则判定入口P1处的温度小于0℃;若在0℃以上,同时求出上次判定P2处温度为0℃以上到本次判结果期间的冷却介质流量,若该冷却介质流量能循环冷却介质流路一周以上,则判定入口P1处的温度在0℃以上;

(2)P1处温度为0℃以上时,调整冷却介质循环流路中的冷却介质流量:将冷却介质循环流路中的冷却介质流量调整为比通常流量(用于冷却燃料电池通常运行状态下产生热量所需的冷却介质流量)多;反之,则少。


图3-5 US10483572B2冷却介质流量控制示意图

具体地,当燃料电池在冰点下启动时,流量控制部620基于温度比较判定部610的判定结果,通过控制循环用泵440来决定冷却介质供给量,可参照图3-6。


图3-6 冷却水(介质)流量映射图

其中L1-L6为燃料电池100的温度小于0℃时使用;L7为燃料电池100温度在0℃以上时使用。L1-L6以随着燃料电池堆发热量增加而冷却介质流量增加的方式设定(但始终比通常流量小,防止冷却水冻结),以促进燃料电池100的热循环。L7中冷却介质流量始终大于通常流量(此时冷却介质不会发生冻结),以加快燃料电池的热循环,并使燃料电池快速上升至规定温度。

3.1.3 DE112008003022B4——燃料电池系统

在燃料电池中,如果内部流路中残留有生成水、冷凝水,则燃料电池在低温启动时,此部分水可能会发生冻结,从而导致气体流路堵塞或者电解质膜、隔板、阀等组件被破坏。现有技术通常采用在燃料电池运转结束后,向燃料电池内通入干燥空气来除去燃料电池内部的残留水,即执行扫气处理(可参考专利JP2007157621A)。然而,执行扫气处理是在燃料电池停止发电后利用二次电池中的电力来执行的。如果在燃料气体欠缺的情况下,同时在燃料电池停止发电后利用二次电池的电力来执行扫气处理的话,会造成二次电池剩余电量减少,从而缩短了采用二次电池作为动力源时的车辆行驶距离。


图3-7 DE112008003022B4燃料电池系统

为了解决上述问题,DE112008003022B4提出了一种燃料电池系统,既能够在燃料电池停止运行后执行扫气处理,又能抑制二次电池电量的过多下降,具体为:

燃料电池系统具有电堆、二次电池、扫气处理单元、控制单元、空压机等。

首先,控制单元判断压力传感器P测得的值是否在气体欠缺阈值(气体欠缺阈值是判断为气体欠缺时的氢气剩余压力值)以下;

当压力传感器P测得值在气体欠缺阈值以下时,控制单元执行燃料电池停止发电操作并在缩短扫气处理所需时间的基础上扫气处理,以抑制二次电池电量的过多下降;

当压力传感器P测得值在气体欠缺阈值以上时,控制单元判断燃料电池是否为停止发电状态,若燃料电池已停止发电,则执行通常的扫气操作。


图3-8 DE112008003022B4控制流程图

扫气处理单元以通过空压机向燃料电池供给氧化气体的形式来执行扫气处理。此外,当压力传感器P测得值在气体欠缺阈值以下时,还可通过限制空压机向燃料电池供给的氧化气体量来执行扫气限制处理,以保障二次电池的电量不过多下降,确保采用二次电池作为动力源时的车辆的行驶距离。

3.2 现代公司


图3-9 现代公司11月公开专利技术构成

2019年11月,现代公司在燃料电池领域共公开专利28件,主要涉及电堆、控制系统、热管理等技术分支。

下文分析的现代公司燃料电池系统控制相关专利的公开号为:US20190356005A1、CN105280934B。

3.2.1 US20190356005A1——燃料电池系统及其控制方法

燃料电池发电生成水并需将生成水排出到外部。实际上,生成水一部分可通过氢气或者空气的流动排出到外部,但还有一部分残留在燃料电池内部。尤其当燃料电池阳极侧存在大量水时,水可能会阻碍氢气的供应,致使燃料电池堆的发电性能降低以及内部组件损坏等。

为了解决上述技术问题,现有技术采用将排气管连接到电堆阳极侧,通过打开/关闭净化阀,每隔一段(预定)时间将阳极氢气排出到外部(通过排出氢气的形式带出残留水)。但采用此种方式,阳极侧排出的氢气浓度较高(氢气浓度在60%-70%),可能存在爆炸风险;此外由于氢气的利用率下降,可能导致燃料电池系统效率降低。


图3-10 US20190356005A1燃料电池系统

基于此,US20190356005A1提出了一种燃料电池系统及其控制方法,通过准确预测燃料电池堆中的水量并在适当时间将燃料电池堆的水排出,具体为:

燃料电池系统包括燃料电池堆、氢气供应设备、控制器以及排放-净化阀等。

控制器可以在燃料电池启动时或者在执行氢气净化排出燃料电池堆中的水后计算燃料电池堆的水量。在执行氢气净化后,燃料电池中的即时残留水量可以根据燃料电池堆的温度以及净化期间氢气的流速等变化来确定。然后,控制器计算预定时间段内的燃料电池堆的平均温度和平均输出功率,并基于平均温度和平平均输出功率值来计算出ti-ti+1时间段的最大残留水量,可参考图3-11。最大残留水量可理解为当燃料电池堆在预定温度下以预定输出功率进行操作时,燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的值。


图3-11 最大残留水量与堆体功率、温度的关系图

控制器可以基于最大残留水量来获得燃料电池堆中的水增加量/减少量,进而获得此时燃料电池堆内的水量。如控制器可以通过将从ti-ti+1时间段内的水增加量/减少量△yi+1与时间ti处的水量Y(ti)相加,获得时间ti+1处的水量Y(ti+1),即Y(ti+1)=Y(ti)+Δyi+1。

控制器可以通过将每预设时间间隔△t的水增加量/减少量△yi+1与采用氢气净化之后的燃料电池堆内的即时水量相加,获得时间tn处的电堆水量Y(tn)。控制器基于实时检测到的燃料电池堆水量,确定该时刻是否需要执行氢气净化操作以将燃料电池堆内的水排出。

因此,通过上述步骤可在适当时间将燃料电池堆内的水排出,从而防止燃料电池堆的发电性能下降,同时提高燃料电池系统的耐久性。


图3-12 燃料电池系统控制方法流程图

3.2.2 CN105280934B——燃料电池系统的驱动控制方法和系统

当燃料电池温度降到0℃以下时,通过加湿器供应的水以及反应生成的水可能发生冻结。当水冻结成冰后,其体积增大,会对膜电极组件等造成损坏且阻塞气体供应通道。因此,为了在冷启动后顺利驱动燃料电池车辆,需要减少燃料电池中的剩余水量。通常而言,减少燃料电池中的剩余水量可通过将驾驶期间的燃料电池中剩余水量维持在预定值(或预定值以下)或者在停机后通过吹扫除去。另一方面,燃料电池堆温度越低,则电堆出口侧的饱和蒸气压越低,会使得燃料电池排出的水量降低,剩余水量增多。剩余水量的增多可能会造成溢流现象(阴极生成的水流动到阳极侧)以及导致在冷启动时产生反向电压,致使碳载体发生腐蚀。(如下图所示,随着燃料电池堆温度的降低,燃料电池堆中剩余水量增加)。


图3-13 燃料电池堆温度与剩余水量关系图

基于此,CN105280934B提出了一种通过调整阳极侧氢压力来改善冷启动性能的燃料电池系统控制方法,具体为:

当燃料电池车辆处于冷启动模式下时,在车辆启动的时候监控外部温度。当监测到的外部温度低于0℃时,将燃料电池堆阳极侧的氢压力增大到最大值,即阳极侧压力-阴极侧压力=可允许的最大压力差(50kPa);随着燃料电池温度的上升,阴阳极压力差逐渐减小,当上升至50℃时,阴阳极的压力差仅为5kPa,此后燃料电池车辆正常驱动,将阳极侧和阴极侧的压力差维持在≤5Kpa即可。

在燃料电池车辆停下来后,若监测到室外温度低于0℃,则增大阳极侧的氢气压力,从而将阳极侧的剩余水移动到阴极侧,以减少阳极侧的剩余水量。

通过在车辆进入冷启动模式时增大阳极侧的压力差,可有效维持燃料电池电压的稳定性,从而改善燃料电池车辆的冷启动性能,减少冷启动完成的时间。另外,通过在车辆停止后增大阳极侧的压力差,可有效减少阳极侧的剩余水量,防止因冷启动期间阳极侧水结冰引起的碳载体腐蚀发生,确保燃料电池发电性能。


图3-14 CN105280934B阳极侧氢压力控制流程图

3.3 其他燃料电池系统控制专利一览



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