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2021年2月燃料电池领域全球专利监控报告

时间:  2021-04-01 18:24   来源:  燃料电池专利情报    作者:  网络转载

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2021年02月燃料电池全球专利监控报告全新发布~本期监控报告主要内容包括三个部分,分别为:

1、2021年02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、部分申请人公开专利介绍,具体专利技术包括丰田公司防止在二次电池侧升压变换器发生故障时,燃料电池车辆所需电力不足以及二池电池过充;确保燃料电池在低温启动时迅速升温。本田公司防止金属双极板凸起密封件顶部在抵接时发生凹陷变形。上海交通大学金属双极板石墨微晶碳涂层制备方法。部分加湿相关公开专利一览等。

一、整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2021年2月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1176件。本月,中国地区专利公开数量659件,较上月公开数量(658件)基本持平;日本公开专利数量164件,较上月公开数量(136件)有一定上升,其中发明申请专利公开数量增加较多。部分公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。

2021年2月燃料电池领域全球专利监控报告

1.2 专利技术分支情况

2021年2月燃料电池领域全球专利监控报告

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102件,其中发明专利授权公告56件、发明专利申请公开46件;格罗夫公开专利52件,其中发明专利申请公开32件、实用新型专利公告19件;奥迪公司公开专利36件、现代公司公开专利29件、本田公司公开专利28件,博世公司公开专利26件;大众公司、清华大学、同济大学均公开专利14件;韩国SANG-A FRONTEC、北京潞电电气&华商三优、未势能源均公开专利10件;3M、大洋电机、日本碍子、森村SOFC、亿华通、一汽解放均公开专利7件。

在专利合作申请方面,清华大学与浙江锋源氢能共同申请了一种H2气相热还原制备低铂Pt基合金催化剂的方法、清华大学与广州国机密封科技共同申请了一种高压氢气密封用接触特性分析系统、清华大学与安徽中鼎密封件公司共同申请了一种可在线分析高压(氢气)密封用O型圈线径变化的测试装置。同济大学与广州机械科学研究院有限公司共同申请了一种氢燃料电池空气供应冷却系统。山东大学与山东冷轮海卓氢能共同申请了一种超低速旋转低应变高填充率储氢合金反应装置。丰田与奥迪共同申请了一种制备具有铂原子层的催化剂的方法,丰田与日本电装共同申请了一种用于燃料电池系统的冷却系统。

二、国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂2月专利公开情况

国内整车厂在2月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利52件,主要涉及氢燃料电池汽车结构件、热管理系统、供氢控制装置、电源管理系统;一汽解放公开专利7件,主要涉及空气供给系统、供氢系统、水汽分离装置等;东风汽车公开专利6件,主要涉及燃料电池大巴车高压配电系统、双极板流体流动评价、燃料电池车NVH测试装置以及能量管理优化方法等;上汽集团公开专利4件,主要涉及PEMFC低温自启动方法、燃料电池冷却子系统以及燃料电池发动机悬置系统等。广汽集团、奇瑞汽车、中国一汽、中通客车均公开专利2件。另外,江淮汽车、金龙客车、北汽集团、上海楞次、一汽大众、佛山飞驰、宇通客车在2月均公开专利1件。

2.2 国内燃料电池企业2月专利公开情况

国内燃料电池企业在2月的专利公开情况如图2-2所示。北京潞电电气和华商三优本月公开专利10件,主要涉及氢能发电车、氢气供气系统、监测系统、泄漏安全防护系统、氢能不间断供电方法等;未势能源公开专利10件,主要涉及双极板、电压巡检仪、电堆端板、氢测试、阀门寿命测试装置等;深圳国氢公开专利9件,主要涉及空气压缩机、冷却系统、热管理系统、散热器等;大洋电机、亿华通均公开专利7件,其中亿华通公开专利主要涉及燃料电池进气处理系统、温度控制方法、单片电池巡检系统等;摩氢科技本月公开专利6件,主要涉及热管理、冷却系统、排液排气装置、水回收系统等。另外,风氢扬、格力电器、江苏集萃安泰创明、魔方新能源、上海捷氢科技、上海神力科技、武汉中极氢创均公开专利5件。

2.3 科研院所(校)2月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在2月的专利公开情况如图2-3所示。其中,清华大学公开专利14件,主要涉及高压氢气密封检测相关技术、冷启动快速测试系统、动力系统控制方法等;同济大学公开专利14件,主要涉及燃料电池催化剂浆料稳定性测试、电堆剩余寿命预测、氢引射泵测试系统、气体扩散层制备、透湿膜制备等;中科院大连化物所公开专利13件,主要涉及储氢材料制备、气体扩散层制备、催化层浆料制备以及膜电极密封等。其他在2月公开相关专利的科研院所(校)还包括华中科技大学、江苏大学、浙江大学、湖北大学、吉林大学、上海交通大学、西安交通大学、北京科技大学、长春工业大学等。

三、部分申请人公开专利介绍

3.1 丰田公司

2021年2月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利102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JP2021026818A、CN112349925A。JP2021026818A防止在二次电池侧升压变换器发生故障时,燃料电池车辆所需电力不足以及二池电池过充;CN112349925A涉及确保燃料电池在低温启动快速升温。

3.1.1 JP2021026818A——防止在二次电池侧升压变换器发生故障时,燃料电池车辆所需电力不足以及二池电池过充

在燃料电池车辆从正常运行状态转向加速时,为满足驱动电机、空压机等的电力消耗,控制系统根据其所需电力计算出燃料电池的要求输出以及二次电池的要求输出。燃料电池侧升压转换器(FDC)以及二次电池侧升压转换器(BDC)分别将其各侧的输出电压升压至目标电压(如650V)以将电力提供给驱动电机、空压机等使用。

当检测到BDC无法将其输入电压升高至指定电压时,此时控制器判断BDC发生故障。为了保障加速状态下器件的用电需求以及防止二次电池过充,此时控制器将BDC输入、输出侧导通,并基于BDC输出侧的电压(即二次电池的输出电压),在以FDC最小升压比的基础上,计算FDC的输入电压,从而确认出燃料电池的最大可输出电压,并通过燃料电池侧供电。

然而,在实际控制燃料电池输出电压时,如果燃料电池实际输出电压超过最大可输出电压,即使在FDC最小升压比下,FDC输出侧电压也超过了BDC侧输出电压,此时燃料电池向二次电池充电,可能导致器件所需电力供应不足以及二次电池过充。

于此,丰田公司提出了一种通过增加辅助机器功耗来降低燃料电池输出电压,从而保障器件所需电力以及防止二次电池过充的方法,详情参见下文。

燃料电池系统如下图所示,包括燃料电池100、FDC 110、继电器单元120、智能功率模块单元130(以下简称IPM 130)、二次电池190、加热器164、空压机单元135、驱动电机138等。其中IPM 130包括高压布线132B、132G、142B、142G,逆变器134,放电机构144,电压传感器133、143,空气压缩机单元135、驱动电机单元137以及BDC 140等。

S1:首先判断BDC是否发生故障。(当燃料电池车辆从正常运行状态转向加速状态时)控制单元通过电压传感器133、143来监测BDC两侧的电压,若BDC输出电压未达到预设值时,则判断BDC发生故障。此时,控制器控制BDC开关晶体管TR2导通、TR3截止来使BDC输入、输出侧导通。

S2:确认是否满足FDC最小升压比以及在满足最小升压比时的执行操作。控制器通过电压传感器106、109获取此时电堆输出电压Vfc以及二次电池Vb的输出电压,并根据Vb/Vfc来确定升压比。当计算所得升压比满足最小升压比时,此时可直接将燃料电池侧的发电电力通过FDC升压后供给至所需用电器件使用。

S3:升压比不能满足时的执行操作。当计算所得的升压比不能满足最小升压比时,在这种情况下,即使FDC以最小升压比对燃料电池输出电压进行升压,升压后的电压值也会超过Vb。此时控制器停止FDC操作,增加辅助机器的功耗来降低燃料电池的输出电压,如增加空压机转速、使用加热器等,并同时停止向燃料电池供给空气,空气流入旁通流路中。当控制器获取到的电堆输出电压值与二次电池输出电压值之差小于等于FDC可以执行升压操作的预设值Vth时,控制器可控制FDC重新运行并执行升压操作。紧接着,停止增加辅助机器的电力消耗,并将燃料气体和空气供应至电堆以进行发电,然后将燃料电池侧产生的电力用于车辆运行。

3.1.2 CN112349925A——确保燃料电池在低温启动时迅速升温

通过在冷却剂入口处设置利用外部电源工作的加热器来加热冷却剂,然后驱动冷却剂泵将加热后的冷却剂供给至燃料电池,可保障燃料电池车辆在低温启动时快速启动。然而,驱动冷却剂泵消耗的电力为车载电池的电力,当电池电量不足时,冷却剂泵不能有效将加热后的冷却剂供给至燃料电池,燃料电池升温速度不理想。

为了解决上述问题,丰田公司提出了通过将外部电源电力供给至加热器以及冷却剂泵来保证燃料电池车辆在低温启动时迅速升温的方法,具体如下:

燃料电池系统如下图所示,包括燃料气体供给系统200、氧化气体供给系统300、冷却系统500、蓄电装置660、控制部650、加热器540等。外部电源700通过电源侧连接部720与车辆侧连接部120连接,外部电源可为太阳能面板、安放型燃料电池、商用电源等。

当燃料电池系统停止时控制,控制器基于外部温度传感器判断是否需要执行预热。当外部温度较低时,控制器(通知用户)将外部电源与车辆连接,此时利用外部电源向加热器和泵A供给电力,加热器对冷却剂旁通流路550中的冷却剂进行加热,加热后的冷却剂流入燃料电池并使其升温,泵A可使冷却剂循环。在用户开始使用车辆时,控制器(用户)解除外部电源与车辆的连接,预热结束。

本方法可避免因蓄电装置660 SOC不足导致的预热运转停滞,使燃料电池在低温环境下也能保持较高温度,以便燃料电池车辆在低温启动时快速预热。

3.2 本田公司

2021年2月,本田公司在燃料电池领域共公开专利28件,主要涉及电堆、排放回收、储氢等技术分支。下文分析的本田公司燃料电池相关专利主要涉及防止金属双极板凸起密封件顶部在抵接时发生凹陷变形。

3.2.1 防止金属双极板凸起密封件顶部在抵接时发生凹陷变形

为了改善金属隔板的密封性能以及节约制造成本,现有技术采取在金属隔板上冲压成型凸起密封件,凸起密封件通过与树脂框构件抵接而形成线状密封部分,从而发挥密封功能。然而,在抵接过程中,凸起密封件顶部在受到压力时易发生凹陷变形,造成密封效果不佳。

基于此,本田公司提出了3种不同结构的金属隔板,可有效防止凸起密封件顶部在抵接过程中发生凹陷变形。

燃料电池单电池立体分解图、剖视图以及金属隔板俯视图如下图所示。

专利CN112397739A提出一种金属隔板结构,该金属隔板包括凸起密封件45、47,侧部52、53、62、63(弹性支承部),弯曲部51、61,底板部15a、15b等。其中,侧部较弯曲部柔软,在对凸起密封件施加载荷时,侧部较弯曲部先发生变形并产生反作用力,从而防止载荷集中至凸起密封件顶部。另外,侧部可通过变形来吸收层叠方向的位移,防止过大的载荷集中至凸起密封件顶部。

在专利JP2021015766提出的金属隔板结构中,凸起密封件以弯折部52c、53c、62c、63c为界,其中弯曲部51、61在弯折部附近形成具有较大倾斜角的部分,侧部52、53相对于底板部15a而言的倾斜角度比弯曲部51的倾斜角度小。此外,侧部的弹性系数小于弯曲部的弹性系数(在层叠方向施加载荷时的变形程度)。因此,当施加层叠方向的载荷时,相对于弯曲部51而言,侧部52、53先发生变形。侧部因变形而发生反作用力,防止载荷集中于凸起密封件顶部,凸起密封件可充分地与树脂框架件抵接,确保良好的密封性能。

在专利JP2021012827A提出的金属隔板结构中,凸部密封件包括第一倾斜部52a、53a,第二倾斜部52b、53b,第一倾斜部在宽度方向上的长度大于第二倾斜部,但第二倾斜部的倾斜角度较第一倾斜部大。当在层叠方向施加载荷时,由于第一倾斜部较宽且倾斜角度较小,可使载荷更好地进行分布,防止凸起密封件顶部应力集中,避免顶部发生变形。另外,凸起密封件45、47的宽度L与其高度H的比值大于等于3,即L/H≥3。通过该构造,凸起密封件的宽度可变得相对长,且凸起密封件的弹性系数变小,因此凸起密封件可弹性变软,改善了不翘曲的位移范围。

3.3 上海交通大学

2021年2月,上海交通大学在燃料电池领域共公开专利3件,主要涉及金属双极板涂层制备。下文分析的上海交通大学燃料电池相关专利的专利公开号为US20210036336A1,该专利主要涉及金属双极板石墨微晶碳涂层制备。

3.3.1 US20210036336A1——金属双极板石墨微晶碳涂层制备

为了提高金属双极板的耐腐蚀性以及降低金属双极板的制造成本,现有技术有采用碳涂层确保金属双极板的耐腐蚀性。但在燃料电池车辆运行过程中,低载怠速、循环加载、启动停止等典型工况均会导致碳涂层性能衰减,因此要求碳涂层具备较好的稳定性和耐久性。

基于此,上海交通大学提出一种用于燃料电池金属双极板的石墨微晶碳涂层。该石墨微晶碳涂层的制备方法主要为:

具体地:

S1:利用清洁剂清洗金属双极板表面的油污,烘干后将其放置炉腔中,待炉腔内真空度达到预设值后通过等离子体轰击金属双极板表面,以去除极板表面的氧化膜;

S2:在金属双极板板表面采用磁控溅射沉积耐蚀金属打底层,耐蚀金属可选Cr、Ti等;

S3:在耐蚀金属打底层表面沉积耐蚀金属与碳涂层共存过渡层,该过渡层可采用耐蚀金属靶与石墨靶共同溅射的方式进行沉积,在过渡层沉积过程中可采取增加沉积粒子能量的方式(如采用脉冲电源、增加沉积过程温度以及改变溅射磁场强度等)促进其进行耐蚀金属与碳化学键合,以形成金属化合物,以进一步提高涂层耐腐蚀性能;

S4:过渡层沉积结束后,通过加温装置对炉腔进行升温,当升温至预定温度后,通过石墨靶溅射沉积碳膜在过渡层表面沉积高导电、耐腐蚀且稳定的纯碳涂层。
 

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