2021年01月燃料电池全球专利监控报告全新发布

导读：

     2021年01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、2021年01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燃料电池老化处理过程的负电压检测阈值设定、基于碳劣化率来检测膜电极组件质量；现代公司加湿器结构改进、防止因生成水积聚导致电堆绝缘电阻下降；凸版印刷公司评价膜电极组件密合性能的方法；双极板部分公开专利概览等。

一、整体情况介绍

1．1 专利公开地域情况

     2021年1月，燃料电池领域在全球范围内公开／授权的专利共1127件。本月，中国地区专利公开数量658件，较上月（742件）而言有一定减少，主要为发明授权专利和实用新型专利公告数量减少；另外，美国发明授权专利公告数量较上月而言有一定下降。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1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1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67件，其中发明专利授权公告50件、发明专利申请公开16件；格罗夫公开专利60件，其中发明专利申请公开48件；现代公司公开专利31件，博世公司公开专利28件、本田公司公开专利20件、大众公司公开专利20件；LG公司公开专利13件，其中发明专利授权公告13件；格力电器公开专利14件，其中发明专利申请公开8件；韩国SANG－A FRONTEC（SFTC）、京瓷公司、奇瑞汽车、西安交通大学均公开专利10件；3M、德普电气、新柯力化工均公开专利9件。

图1－3 标准化申请人专利1月公开／授权排名

     在燃料电池热管理方面，江苏清能动力公开一种燃料电池热管理系统，该热管理系统可以实时检测和控制热管理系统冷却液的电导率，保证燃料电池安全持续工作；格罗夫公开一种燃料电池热管理系统，可在低温启动前对冷却液进行预加热、并可在正常工作时提供较好的冷却效果，使燃料电池工作效率得以提高；北京新能源汽车技术创新中心公开了一种FC热管理系统，该系统可利用液氢汽化吸热带走冷却水中的部分热量，可在有效冷却电堆的同时实现节能；格力电器公开了一种电堆控温系统，该控温系统可调整散热子风道的开启和开闭数量，改善电堆温度分布不均匀的问题。

二、国内申请人专利公开情况

2．1 国内整车厂1月专利公开情况

图2－1 整车厂1月专利公开情况

       国内整车厂在1月的专利公开情况如图2－1所示。其中，格罗夫公开专利60件，主要涉及氢燃料电池汽车相关技术，如氢能汽车档位控制、限速控制、冷启动、电堆布置、动力分配、车身具体部件结构等；奇瑞汽车公开专利10件，主要涉及客车车载供氢装置、上下电装置、空气辅助系统消声装置、加氢站等；东风汽车公开专利6件，主要涉及增湿器、双极板冷却液压降测量装置、自动化分拣系统、废空气再利用等。北汽集团公开专利5件，中国一汽公开专利3件；其中在1月公开相关专利的整车厂还包括上汽集团、长安汽车、吉利汽车、江淮汽车、中通客车、众泰汽车等。

2．2 燃料电池企业1月专利公开情况

图2－2 燃料电池企业1月专利公开情况

       国内燃料电池企业在1月的专利公开情况如图2－2所示。其中，格力电器公开专利14件，主要涉及风冷燃料电池风道、空压机、动力系统、低温启动以及控温系统等；德普电气公开专利9件，主要涉及燃料电池检验检测技术，包括冷启动测试研究平台、电堆装配测试平台、测试台加湿气体和电堆水平衡检测装置等；新柯力化工公开专利9件，主要涉及膜电极及其相关组件制备；未势能源公开专利8件，主要涉及双极板结构、膜电极结构、系统控制等；无锡先导智能装备公开专利7件，主要涉及膜电极制造设备等；江苏国富氢能＆张家港氢云、魔方新能源、潍柴动力均公开专利6件，其中魔方新能源公开专利主要涉及燃料电池增湿器和电堆装配设备等。其他在1月公开相关专利的企业还包括国鸿氢能、海亿新能源、合肥盛文信息技术、律致新能源、上海电气、上海华熵、舜华新能源、浙江昊凡科技、众宇动力等。

2．3 科研院所（校）1月专利公开情况

图2－3 燃料电池科研院所（校）1月专利公开情况

      燃料电池相关科研院所（校）在1月的专利公开情况如图2－3所示。其中，清华大学公开专利12件，主要涉及双极板制备、氢气管路密封与氢气泄漏防护、SOFC电解质层制备等；西安交通大学公开专利10件，主要涉及双极板、SOFC梯度孔隙率阳极、中高温质子传导材料以及家庭FC热电联供建筑能效评估方法等；武汉船用电力推进装置研究所公开专利8件，主要涉及密封空间燃料电池发电系统、氢气循环泵性能测试、双极板涂层质量快速抽检方法等。其他在1月公开相关专利的科研院所（校）还包括等大连理工大学、中科院大连化物所、北京理工大学、电子科技大学、武汉理工大学、北京航空航天大学、华中科技大学等。

三、部分申请人专利公开情况

3．1 丰田公司

     2021年1月，丰田公司在燃料电池领域共公开专利67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US10897053B2、JP6816616B2。US10897053B2涉及燃料电池老化处理过程中的负电压检测阈值设定；JP6816616B2涉及基于碳劣化率来检测膜电极组件质量。

3．1．1 US10897053B2——燃料电池的老化处理负电压检测阈值设定

     燃料电池刚组装后其发电性能较低且不稳定，因此在组装之后，通常需要进行初期适应性运转（以下简称“老化”）以使其发挥理想的发电性能。由于老化时间一般较长，随着燃料电池产量的增加，会对制造工序连续性造成一定的影响。为了快速实施老化操作，需要让燃料电池在低电位条件下发电，但是当进行老化处理的单元电池因氢气、水分缺乏而发生电压下降时，则需要在单电池电压转变为负电压前停止发电，以防止对其燃料电池堆造成损伤。为了有效监测老化处理过程中的负电压，现有技术设置了电压监测器来监测一个或多个单电池，并设定了负电压检测阈值。关于负电压检测阈值的设定，参考燃料电池进行常规发电检查时，通常会供应充分的反应气体来使其发电，此时单电池的电压在0．6－0．7V左右，对应的单电池负电压阈值一般可设定为－0．3V。当对多个单电池进行检查时，以2个单电池为例，此时电池组正常工作时候的电压为1．2－1．4V；当其中一个单电池出现负电压（如－0．3V）时，而另一个单电池正常工作（如0．6V）时，此时电压检测器检测到的电压为0．3V，因此负电压检测阈值可设为0．3V。但在低电位（如：0－0．4V）进行老化处理时，若仍按正常发电检查时的逻辑来设定负电压检测阈值，由于此时电压变动值较小，两者存在交叉区域（以2个单电池组为例，此时负电压检测阈值为0．3V，允许范围为0－0．8V，存在交叉区域），则难以有效检测到负电压的产生。

图3－1－1 现有技术负电压检测阈值设定示意图

      基于此，丰田公司改进了在低电位老化处理过程中的负电压检测阈值设定逻辑，通过使单电池的发电上限电压低于负电压检测阈值的绝对值来保障负电压可被检测到，具体如下：燃料电池系统包括燃料电池10、电压检测器30、控制装置40等，其中电压监测器30包括燃料电池端部单电池的电压监测器30a、监测电池组的电压监测器30b。

图3－1－2 US10897053B2老化处理电压检测示意图

     设定在低电位老化处理中的各单电池正常电压的判定范围为α1～α2（α2为上限值）、负电压异常判定范围上限值为β（β可为－0．3V），由电压监测器30监测的单电池数量为n，此时的负电压检测阈值可设定为：β＋α2（n－1）。另外，设定的负电压检测阈值需小于多个单电池的正常判定范围时的下限值α1＊n时才能保证负电压被检测出，因此在设定上限值α2时，需要使上限值α2小于负电压异常判定范围上限值β的绝对值。在进行低电压老化处理时，需保证进气入口处的单电池电压不超过β的绝对值，且其他单电池以不超过α1的进行发电。

图3－1－3 US10897053B现有技术负电压检测阈值设定示意图

       另外，为了保证低电位老化处理的顺利进行，控制装置还设定了控制切换判定阈值α3，控制切换判定阈值α3小于α2。当位于远离反应入口的端部电压检测器检测到端部单电池电压大于α3时，则可以通过减少氧化气体的供给量、提高混入反应气体的惰性气体量等来控制燃料电池的发电状态，以使各单电池的电压下降，不因负电压检测而停止发电，保证老化处理的顺利进行。

3．1．2 JP6816616B2——膜电极组件质量检查装置及方法

      现有技术在采用耐压检查确定膜电极组件质量时，未考虑到施加的电压会使包含碳材料的电极催化剂层和气体扩散层发生劣化（碳劣化），导致膜电极组件性能下降。基于此，丰田公司在耐压检查的基础上通过增加测量碳劣化率来进一步防止劣质膜电极组件的流出。具体如下：膜电极组件质量检查装置如图所示，包括电压施加单元10、测量计算单元20、膜电极组件M以及除湿单元30，除湿单元30。除湿单元30可避免由于相对湿度RH引起的碳劣化量对测量结果造成的影响。

图3－1－4 膜电极组件质量检查装置示意图

      在对膜电极组件进行质量检查时，首先将检查的膜电极组件M布置在电极11、12之间，并通过除湿单元使检测环境保持干燥。电压施加单元通过电源13施加可变电压至膜电极组件上，测量计算单元测量通过膜电极组件的电流时间波形，并计算在检查时间内的电流时间积分值。当电流时间积分值超出阈值时，则判定被检查的膜电极组件为不良品。关于阈值的设定，丰田通过测量碳劣化率与电压降低率的关系发现，在碳劣化率为10％时几乎不存在电压降低率；当碳劣化率为20％以上时，随着碳劣化率的增加，电压降低率快速增加。因此，可将碳劣化率为20％时对应的电流时间积分值设定为阈值，防止不良膜电极组件通过检查。

图3－1－5 碳劣化率与电压降低率关系示意图

3．2 现代公司

     2021年1月，现代公司在燃料电池领域共公开专利31件，主要涉及电堆、系统控制、检验检测等技术分支。下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为KR1020210004152A、US10892502B2。其中，KR1020210004152A涉及燃料电池用加湿器结构改进；US10892502B2涉及防止因生成水积聚导致电堆绝缘电阻下降。

3．2．1 KR1020210004152A——加湿器

     为了使燃料电池正常工作，需要使电解质膜保持在一定的湿润状态，通常采用加湿器加湿流入空气的形式来使电解质膜保持湿润状态。例如，现有技术提出了通过利用燃料电池排除的湿空气进入加湿器来加湿干燥空气的方法，由于采用了湿空气透过加湿膜对膜内流动空气进行加湿，存在加湿效率较低的问题；若通过在加湿器周围设计旁通流路来改善加湿效率则存在结构变复杂的问题。另外，在现有技术中，还存在系统不能根据电堆的运行条件调整进入空气湿润程度的问题。基于此，现代公司提出了一种加湿器，可有效改善加湿性能以及根据燃料电池运行条件精确调整进气加湿程度。具体如下：加湿器100如图所示，包括干燥空气供给口A 112、干燥空气供给口B 114、湿空气入口 116、散热管 120、加湿膜 130、冷凝水收集单元 140以及壳体 110等，其中散热管管体内外均设置有散热片，加湿膜位于散热管的下方，冷凝水收集单元位于加湿膜的下方。

图3－2－1 加湿器示意图

      当电堆排出的湿空气进入加湿器后，首先通过散热管，随着湿空气温度的下降，空气中的水分开始冷凝，并在重力的作用下依次穿过加湿膜，并对沿加湿膜内部流动的干燥空气进行加湿。冷凝水收集单元用以储存通过加湿膜后的冷凝水，冷凝水通过供应管线150供应至干燥空气供给口A用以加湿流入散热管的干燥空气。另外，控制部180可根据电堆的运行状态来调整干燥空气供给口A、B的空气供给量，以使得电堆内部的湿度合适。例如，当电堆内部湿度超过目标湿度时，此时控制部切断干燥空气供给口B的空气供应，仅有通过散热管的干燥空气被供给至电堆内；当电堆内部较为干燥时，则可增加干燥空气供给口B的空气供应量，并同时减少干燥空气供给口A的空气供给量。 3．2．2 US10892502B2——防止电堆绝缘电阻下降当燃料电池车辆在电压限制区域长时间工作时，由于空气供给量减少，使得生成的水无法通过空气排出至外部。当生成的水积聚在电堆中时，会形成导电路径，使得电堆绝缘电阻降低。基于此，现代公司提出了一种燃料电池系统控制方法，通过检测电堆电流及其绝缘电阻来改变空气供给流量，从而防止电堆绝缘电阻下降。具体如下：燃料电池系统如图所示，包括电堆、控制器、传感器单元以及空压机等。当燃料电池车辆运行时，控制器可监测电堆电流和绝缘电阻，并将测得电堆电流值和绝缘电阻值与预设的相关参考值进行比较。当电堆电流值小于预设参考值时，表明此时电堆处于低电流工作区域，若绝缘电阻也同时小于第一预设绝缘参考值时，则控制器判断此时电堆绝缘电阻发生下降、电堆存在安全隐患问题。与此同时，控制器开始增大空压机的转速（RPM）以增大空气供给量，随着过量空气被供应至电堆中，电堆中残留的生成水被有效排出至外部。经过一定处理时间后，控制器重新检测绝缘电阻，并将此时的绝缘电阻值与第二预设绝缘参考值（第二预设绝缘参考值＞第一预设绝缘参考值，是用于确定降低的绝缘电阻是否已经充分恢复的基准值）进行比较，若低于第二预设绝缘参考值，控制器则输出低绝缘电阻警告；若大于第二预设绝缘参考值，控制器则判定绝缘电阻已恢复安全水平并重新对电堆电流和绝缘电阻进行监测。

图3－2－2 US10892502B2燃料电池系统示意图

3．3 凸版印刷

      2021年1月，凸版印刷公司在燃料电池领域共公开专利7件，均涉及膜电极组件制备。下文分析的凸版印刷公司燃料电池相关专利的专利公开号为JPWO2019151081A1，该专利主要涉及膜电极组件密合性能评价。

3．3．1 JPWO2019151081A1——评价膜电极组件密合性能的方法

      为了提高膜电极组件的发电性能以及使其发电性能稳定，需要提高电解质膜与催化剂层的密合性，从而使电解质膜与催化剂界面处的质子、水等物质更容易进行移动。现有技术评价电解质膜与催化剂的密合性主要是通过测量两者界面的90°剥离强度。当90°剥离强度为规定值以上，两者间的密合性较好，可实现较为稳定的发电性能。然而由于催化剂层较为脆弱，在剥离过程中容易发生内聚破坏，因此难以准确评价两者界面的90°剥离强度。基于此，凸版印刷提出了一种评价膜电极组件密合性能的方法。该膜电极组件如下图所示，包括电解质膜1，催化剂层2、3；膜电极组件分为配置催化剂层的部分18以及没有配置催化剂层的部分17。当使用粘接部件剥离催化剂层2、3时，首先将单面粘接胶带20粘接在催化剂层2上，并使用双面粘接胶带将膜电极组件带有单面粘接胶带的一侧固定在固定台30上，然后相对于固定台平台以60°方向拉伸电解质膜，并在0．5－1s内，将电解质膜1从催化剂层2上剥离；剥离催化剂层3同理。

图3－3－1 膜电极组件密封性能检测示意图

      在剥离催化剂层2、3之后，测量配置有催化剂层的部分18的总透光率，当其总透光率为40％时（以未配置催化剂层的部分17的总透光率为基准），说明催化剂层2、3有部分残留在电解质膜的表面上，电解质膜与催化剂层2、3的密封性较好。当使用该膜电极组件来制备燃料电池时，可以得到稳定高效的发电性能。另外需要指的是，单面粘接带的粘接力需大于电解质膜与催化剂层2、3结合界面处的粘接力，才能顺利将催化剂层2、3剥离。单面粘接带的粘接力大小为3N／10mm以上，粘接力大小测量如下：将单面粘接带粘接于不锈钢板上，以180°方向进行拉伸，以使其从不锈钢板上剥离时即可测量出粘接力。

3．4 双极板部分公开专利一览