2021年03月燃料电池全球专利监控报告

导读：

各位读者大家好，2021年03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03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，具体专利技术包括现代公司燃料电池平均功率计算、燃料电池装堆后活化方法；本田公司燃料电池停机吹扫时间设定方法、防止燃料电池低温启动时清扫阀节流孔件发生闭塞；丰田公司抑制储氢罐卷绕纤维发生松弛。部分双极板加工方法／装置相关公开专利一览等。

1． 整体情况介绍

1．1 专利公开地域情况

2021年3月，燃料电池领域在全球范围内公开／授权的专利共1308件。本月，中国地区专利公开数量790件，较上月公开数量（659件）增加较多，主要为发明专利申请公开数量增加较多；日本公开专利数量148件，美国公开专利数量127件。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3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3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93件，其中发明专利授权公告50件、发明专利申请公开41件；格罗夫公开专利51件，均为发明专利申请公开；博世公司公开专利35、现代公司公开专利31件；大众公司与奥迪公司共公开专利26件；中科院大连化物所公开专利22件；爱德曼氢能、北京理工大学、潍柴动力、武汉理工大学均公开专利11件；未势能源、森村SOFC、上海韵量、松下公司、无锡先导智能、武汉雄韬氢雄均公开专利9件。

图1－3 标准化申请人专利3月公开／授权排名

在燃料电池测试技术上，上海韵量新能源公开了一种燃料电池振动测试装置，该振动测试装置通过将输气管道吸气口设置在室外，采用正压式通风方式，避免了泄露的可燃性气体进入振动测试装置内部而引起的爆炸发生；北京新研创能公开了一种空冷电堆活化测试平台，该测试平台能够提高进入至空冷电堆中的常温空气的水分含量，并通过借助水雾中液态微粒子气化过程吸收电堆中的热量，来避免电堆超温，从而降低电堆活化难度以及缩短电堆活化时间等；合肥科威尔公开了一种燃料电池发动机双系统多工况测试台架，可同时满足单机大功率的测试需求以及并机测试需求；奇瑞汽车公开了一种燃料电池系统绝缘检测方法，通过获取冷却水TDS计算出其电导率，然后通过冷却水电导率获得冷却水上刻度、下刻度绝缘电阻率，进而推算出电堆冷却系统绝缘电阻。

2． 国内申请人专利公开情况

2．1 国内整车厂3月专利公开情况

图2－1 整车厂3月专利公开情况

国内整车厂在3月的专利公开情况如图2－1所示。其中，格罗夫公开专利51件，主要涉及氢燃料电池汽车结构件、汽车驾驶（安全）、动力系统设计、温度控制等；东风汽车公开专利6件，主要涉及电堆加热装置、汽车氢气瓶检测方法、双极板激光焊接夹具、低温吹扫等；上汽集团公开专利5件，主要涉及质子交换膜制备、尾气水汽分离装置、空气系统控制方法、冷启动控制等；一汽解放公开专利5件，主要涉及燃料电池活化方法、水汽分离装置、整车冷却系统、车辆能量管理方法等；众宇动力公开专利5件，主要涉及电堆捆绑装置、电堆巡检连接结构、去离子器等。奇瑞汽车公开专利4件，中国一汽公开专利3件，北汽福田、江淮汽车均公开专利2件。另外，北汽集团、长安汽车、大运汽车、广汽集团、金龙汽车在3月均公开专利1件。

2．2 燃料电池企业3月专利公开情况

图2－2 燃料电池企业3月专利公开情况

国内燃料电池企业在3月的专利公开情况如图2－2所示。爱德曼氢能与潍柴动力均公开专利11件，其中爱德曼氢能公开专利主要涉及双极板结构、点胶工装、快速粘接装置，CCM制造装置，电堆组装设备等。格力电器公开专利10件，主要涉及双极板结构、燃料电池保护控制系统与降温控制系统等。上海韵量、未势能源、无锡先导智能装置、武汉雄韬氢雄共公开专利9件，其中上海韵量公开的专利主要涉及燃料电池检测技术，包括膜电极泄漏检测、电堆捆扎力检测、电堆尺寸检测等；未势能源公开的专利主要涉及储氢瓶热激活排压阀、氢气管路夹，膜电极组装方法等。北京华商三优与北京潞电电气合作申请专利共公开8件，主要涉及储氢罐室外储存相关装置与结构设计、氢能源发电车以及散热器等；魔方新能源与无锡威孚高科均公开专利7件；江苏申氢宸与山东东岳均公开专利6件；江苏国富氢能／张家港氢云、舜华新能源、弈森科技均公开专利5件，其他在3月公开相关专利的企业有：河南豫氢、摩氢科技、亿华通、浙江高成绿能、明天氢能等。

2．3 科研院所（校）3月专利公开情况

图2－3 燃料电池科研院所（校）3月专利公开情况

燃料电池相关科研院所（校）在3月的专利公开情况如图2－3所示。其中，中科院大连化物所公开专利22件，主要涉及燃料电池膜电极制备、电堆封装、直接甲醇燃料电池抗毒化方法、直接液体燃料电池阴极水含量测定等；北京理工大学和武汉理工大学均公开专利11件，其中北京理工大学公开专利主要涉及动力系统DC／DC变换装置、动力系统能量输入输出监控装置、低电流压气机控制方法、超高速电动空压机扩稳控制方法；武汉理工大学公开专利主要涉及催化剂浆料、质子交换膜制备，电堆排水性能改善，反极程度监测方法等；西安交通大学公开专利7件，主要涉及固体氧化物燃料电池相关技术以及氢燃料电池循环氢气一体化处理装置等；哈尔滨工业大学、吉林大学、南京大学、同济大学均公开专利5件，其中同济大学公开专利主要涉及超薄碳基双极板、金属双极板耐久性测试、低温启动等。大连理工大学、清华大学均公开专利4件。北京工业大学、福州大学、北京航天试验技术研究所、广东工业大学、上海交通大学、扬州大学、中国矿业大学、重庆大学均公开专利3件。

3．   部分申请人及公开专利介绍

3．1 现代公司

2021年3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KR102221208B1、CN106450381B。KR102221208B涉及燃料电池平均功率计算；CN106450381B涉及燃料电池装堆后的活化方法。

3．1．1 KR102221208B——燃料电池平均功率计算

现有技术有采用在顺序测量电堆所有单电池电压后，然后通过测量末端电流来计算出燃料电池功率。由于各单电池电压测量时间与电流测量存在时间差，因此不能较为精确地计算出燃料电池功率。当不精确的计算结果用于诊断燃料电池发电状态以及对燃料电池进行调整时，可能造成燃料电池损坏。

基于此，现代公司提出一种提升测量燃料电池平均功率精确度的方法，该方法通过测量燃料电池各单电池正向电压后，然后测量输出端电流，紧接着在相同时间内从末端反向测量各单元电池的电压，以正向电压、反向电压为基础计算出平均电压，然后通过平均电压和测量电流值计算出燃料电池的平均功率。详情如下。

燃料电池平均功率测量装置如下图所示，包括电堆100、电压测量单元400、控制部、电流测量单元300、电源单元200等，电源单元可以提供电压测量单元操作所需的功率。

图3－1－1 KR102221208B1燃料电池系统示意图

在燃料电池运行过程中，电压测量单元从电堆最低单元电池向最高单元电池方向依次对各单电池电压进行测量，从而得到正向电压；在得到正向电压后，由电流测量单元对燃料电池输出端电流进行测量；紧接着，电压测量单元在同一时间内从相反方向再次对电堆各单电池电压进行测量以得到反向电压；控制部根据正、反向电压计算出平均值，然后根据平均电压值与所测电流值计算出平均功率。控制器将平均功率与每个单电池的功率进行，从而判断单电池是否存在异常。

图3－1－2 测量燃料电池单元电压、电流的定时视图

本测量方法通过同步电堆电压测量时间点与电流测量时间点，可以精确计算出电堆的平均功率，并精确诊断燃料电池的状态，以及对燃料电池进行操作，防止燃料电池发生损坏。

3．1．2 CN106450381B——燃料电池堆活化方法

在组装燃料电池堆后，由于初次运行时电堆电化学反应活性低，因此需要对电堆进行活化处理以使其发挥最佳性能。在采用脉冲放电（反复执行高电流密度的放电与关断）对电堆进行活化处理时，针对约220个单电池的处理时间为90－120分钟。采用该种方式虽然可以通过改变燃料电池内部水流动来使活化速度加快，但增加了氢气用量（需使用约2．9Kg氢气）且处理时间仍偏长。

基于此，现代公司提出了一种新的活化处理方法，通过使相邻单电池之间短路来快速降低电堆电压，并去除残留在电堆中氧，可有效减少氢气用量以及减少电堆活化处理时间。详情如下。

S1：在开始进行电堆活化处理时，向电堆供应氧气和氢气，在使电堆处于开路电压状态后停止氧气和氢气的供应；

S2：通过单电池电压感测端板来让电堆中的相邻单电池电连接，使得相邻单电池短路，从而使单电池电压变为0V；

S3：在使单电池短路后，再次向电堆供应氧气和氢气，并采用施加0．6－1．0A／cm2的电流密度对电堆进行预处理，预处理时间为10－60秒；在预处理过程中，设定0．6－1．0A／cm2大小的电流密度可检测有缺陷的单电池，并且确认其在高、低电流密度下的电压稳定性。具体地，现代设定了预处理过程中的电流为360A，处理时间30秒。

S4：当电堆重新进入开路电压状态后，通过施加1．0－1．4A／cm2电流密度约30－180秒，再次通过短路使电堆降压将至0V（保持时间小于5秒），从而去除电堆残留的氧。如现代设定了电流432A，处理时间120秒，通过以高电流密度脉冲运行来使催化剂周围的全氟磺酸膨胀，引发电极结构变化，使闭孔变成开孔，从而减少物质转移阻力。通过快速去除残留在电堆中的氧，可使Pt－OX还原并使铂／粘合剂界面优化，从而提升了活化速度。

S5：在去除氧后，经预定休息时间（30－300秒）后，再次供应氧气和氢气。

（重复上述过程至少11次）

图3－1－3 CN106450381B电堆活化处理

现代公司的活化处理方案通过使电堆相邻单电池短路并使处于开路电压状态的单电池电压降至0V后，可重复进行活化，并且在活化过程中，通过采用短路来快速降低电压，并去除堆内残留的氧，从而加速了活化过程。总体而言，该活化过程减少了固定所需要的时间，可使活化处理时间缩短至75分钟左右，同时减少了活化过程的氢气用量，氢气耗量约1．7千克。

3．2 本田公司

2021年3月，本田公司在燃料电池领域共公开专利25件，主要涉及系统控制、电堆、排放回收等技术分支。下文分析的现代公司燃料电池相关专利的专利公开号为CN112467173A、CN112542597A。CN112467173A涉及燃料电池停机吹扫时间设定方法；CN112542597A涉及防止燃料电池低温启动时清扫阀节流孔件发生闭塞。

3．2．1 CN112467173A——燃料电池停机吹扫时间设定方法

为了防止燃料电池车辆在低温环境下其燃料电池系统内残留的水分发生冻结，需要在停机时对系统内残留水分进行吹扫，以保证车辆在低温环境下的启动性能。现有技术参考了供给至电堆内部的氧化气体质量流量来设定扫气时间，以使得扫气后的电堆交流阻抗达至最佳湿润状态时的对应值。然而，基于上述方法设定扫气时间并进行扫气处理后，当燃料电池系统在冰点以下启动时，其实际交流阻抗会与理想设定值存在偏差，存在电堆过分干燥或干燥不充分的情形。由于大气压强、温度对气体质量流量计算存在影响，特别是当燃料电池车辆运行在海拔高且平均气温低的高原地区时，采用上述方法进行扫气处理往往不能达到预期效果，因此需要更加精准地对扫气时间进行设定。

基于此，本田公司提出了一种基于与大气压有关的体积流量值来设定扫气时间的方法，该设定方法可有效减少系统在冰点下启动后的阻抗偏差，提高燃料电池车辆在冰点下的启动性能。详情如下。

燃料电池系统如图所示，包括：电堆、气流传感器、控制部、通信单元等，其中通信单元包括大气湿度获取部件、大气压获取部件等，另外可根据需要在正极72与负极71之间连接交流阻抗测量器。

图3－2－1 CN112467173A燃料电池系统示意图

当系统控制部检测到燃料电池车辆电力开关从接通状态转换为断开状态时，控制部基于通信单元获取的气象信息，判断下次启动是否在低温条件下。当判断燃料电池车辆下次启动在低温条件下时，控制部基于考虑了大气压变化的体积流量值F来设定扫气时间，并获取计算体积流量值F的相关参数，包括由气流传感器获取到的空气质量流量M、由压力传感器检测到的阴极入口压力Pi、车辆所处海拔的大气压强Pa，阴极入口处温度Ti等。体积流量值F计算可参考下列公式。

图3－2－2 体积流量值F计算公式

在计算出体积流量值F后，可参考体积流量值F与扫气时间St之间的对应关系，计算出扫气时间St。扫气时间St还可根据参照系数K（系数K值可根据相对湿度Ha％进行确定）进行修正。

图3－2－3 修正系数K与相对湿度Ha关系示意图

此方案基于汽车所处海拔的大气压来计算得出体积流量值F，并通过体积流量值F对扫气时间进行确认，因此无论是在空气稀薄的高原地区还是平地，都能设定合适的扫气时间来确保燃料电池始终处于最合适的湿润状态，防止燃料电池车辆在低温启动时交流阻抗出现偏差，确保其低温启动性能。

3．2．2 CN112542597A——防止燃料电池低温启动时清扫阀节流孔件发生闭塞

在燃料电池工作过程中，可通过控制阳极循环流路清扫阀的开闭来控制含氮阳极排气的排出，保障阳极循环流路的氢浓度。当燃料电池在低温环境下启动时，包含水蒸气的阳极排气排出时，由于电堆与排气辅助设备之间的温度差，阳极排气被快速冷却，水蒸气凝华成细小冰粒，且冰粒随着阳极排气在阳极循环回路中移动。在低温启动初期，由于清扫阀的温度较低，因此带冰粒的阳极排气可通过设置有节流孔件的清扫阀。当燃料电池驱动清扫阀动作而使清扫阀温度上升时，一部分冰粒发生熔化并附着在节流孔件的壁部，因此冰粒开始在节流孔件中进行积聚，使得节流孔件开始出现堵塞现象。随着燃料电池工作时间的推移，节流孔件继续升温，节流孔件入口处的冰粒溶解，出口侧的冰粒仍冻结，溶解后液体因堵塞的冰粒而滞留，使得节流孔件完全闭塞。当节流孔件完全闭塞时，包含氮的阳极排气无法通过清扫阀排出，使得燃料电池阳极侧氮浓度上升，而氢浓度相应出现下降。氢浓度的下降可能会使得燃料电池无法进行发电。

图3－2－4 节流孔件处冰粒聚集示意图

为了解决上述问题，本田公司发现当清扫阀完全闭塞时，若系统继续驱动清扫阀而使其升温，节流孔件中积聚冰粒可完全溶解，此时阳极排气可从节流孔件中排出。燃料电池系统可在节流孔件完全解冻后，切换清扫阀开闭控制阳极气体的排出，以调整阳极循环回路的氢浓度。因此，本田公司提出了一种燃料电池系统低温启动方法，通过将清扫阀设置为常开状态，可有效防止氢浓度过低，保证燃料电池系统低温启动性能。详情如下。

燃料电池系统如图所示，包括阳极循环回路55、气液分离部、包含节流孔件74的清扫阀72、排水管66等。

图3－2－5 燃料电池系统示意图

图3－2－6 CN112542597A控制示意图

首先，在燃料电池启动经设定时间t11后，控制部判断阳极出口温度是否低于设定的冻结温度阈值，当低于阈值时，控制器执行节流孔件闭塞进行控制，并将清扫阀设置为常开状态。通过把清扫阀设置为常开状态，可保证在节流孔件在发生闭塞前顺利排放含氮阳极排气，保障阳极循环回路氢气浓度，确保燃料电池低温启动性能。与此同时，控制部还会基于阳极排气的饱和水蒸气量（通过阳极饱和水蒸气压以及清扫气体量来计算得出）来计算冰粒量，并根据冰粒量来判定节流孔件是否完全闭塞。

当冰粒量超过预设值时，控制器执行闭塞确认控制，继续保持清扫阀常开状态，由于在闭塞进行状态时氢气浓度较高，因此可允许在闭塞确定状态处理时氢浓度下降。随后，控制部持续对阳极出口温度进行监测，当阳极出口温度高于解冻温度阈值时，节流孔件积聚的冰粒可完全溶解，此时控制器结束闭塞确认控制，并进行通常控制。在通常控制中，控制器可根据清扫气体量来控制清扫阀的开闭，以将氢浓度维持在合适范围。

图3－2－7 燃料电池低温启动时序图

3．3 丰田公司

2021年3月，丰田公司在燃料电池领域共公开专利93件，主要涉及电堆、系统控制、储氢相关等。下文分析的丰田公司燃料电池相关专利的专利公开号为CN112497721A，该专利主要涉及抑制储氢罐卷绕纤维发生松弛。

3．3．1 CN112497721A——抑制储氢罐卷绕纤维发生松弛

现有技术公开了一种储氢罐加强层制造方法，通过将热固性树脂纤维卷绕于衬里，然后通过加热来使其固化，从而形成加强层。然而，在将树脂纤维卷绕于衬里时，由于卷绕条件、衬里形状等可能使卷绕的纤维产生松弛部分。当纤维在松弛状态下被热固化后，加强层也会存在相应的松弛部分，使得罐体强度降低。

基于此，丰田提出了一种储氢罐制造方法，通过调整罐内压力以及增大衬里形状来改善卷绕纤维的松弛，保障罐体强度。详情如下。

图3－3－1 罐体结构图

图3－3－2 罐体纤维卷绕装置示意图

罐体结构以及罐体纤维卷绕装置如上图所示。罐体纤维卷绕方法如下：

S1 初始加压程序：首先控制器控制内压调整机构往罐内送入加压气体来使衬里的内压上升到第一压力P1，通过将内压加压至第一压力P1可抑制在后续卷绕工序中因卷绕纤维载荷导致的衬里大幅度变形，从而避免因衬里变形而导致卷绕纤维产生松弛部分；

S2 卷绕工序：控制器通过控制纤维引导部、旋转装置来执行卷绕工序，通过组合环向卷绕、高角度螺旋卷绕以及低角度螺旋卷绕方式将浸渍有热固性树脂的纤维卷绕在包括衬里的罐主体上。在卷绕工序中，控制器在预先设置好的时间点依次将内压升高至第二压力P2、第三压力P3，抑制因卷绕载荷致使的衬里大幅度变形，避免了因衬里变形而导致卷绕纤维产生松弛部分；

S3 减压工序：控制器将压力调整流路22以及减压流路20连通，并驱动减压阀23，以将罐内气体向外部排出，使罐内压力下降到第4压力P4（P4＜P1）；

S4 形状变形工序：形状变形工序主要使衬里的形状变大，包括轴线变形工序和加压工序。其中轴线变形工序主要是通过向衬里施加外力，从而在轴线方向上增大衬里的形状，从而减少纤维松弛程度；加压工序主要是通过向罐内输送氮气以使罐内压力增大至第五压力P5，从而增大衬里径向形状（P5＞P3），减少卷绕纤维松弛程度；

S5 固化工序：将罐主体置于加热罐内，使浸渍有热固性树脂的纤维固化，此时罐内压力仍为第五压力P5。

图3－3－3 衬里内压与各工序的关系示意图

本方案通过在卷绕工序前以及卷绕工序过程中升压，可防止卷绕纤维载荷导致的衬里大幅度变形，避免因衬里变形而导致卷绕纤维产生松弛部分；通过增加减压工序，可使卷绕于衬里的纤维暂时松弛，减小重叠纤维间的摩擦力，使卷绕的纤维更容易移动；在固化工序前通过形状变形工序增大衬里形状，可有效通过拉伸变化改善卷绕纤维的松弛程度，避免热固化后罐体强度不佳。?

3．4 部分双极板加工方法／装置相关公开专利一览

（end）