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燃料电池领域全球专利监控报告(2021年04月)

北极星氢能网 来源:燃料电池专利情报  作者:刘胜  2021/6/11 13:18:41 我要投稿

北极星氢能网讯:2021年4月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1259件,与上月数据相当。本月,中国地区专利公开数量786件,其中发明专利申请公开424件、发明专利授权公告共164件;日本公开专利数量136件,美国公开专利数量95件,德国公开专利数量75件。

(来源:微信公众号“燃料电池专利情报” ID:findfcinfo 作者:刘胜)

整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2021年4月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1259件,与上月数据相当。本月,中国地区专利公开数量786件,其中发明专利申请公开424件、发明专利授权公告共164件;日本公开专利数量136件,美国公开专利数量95件,德国公开专利数量75件。部分公开国家/地区/组织以及数量情况如图1-1所示。

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图1-1 部分地区燃料电池专利4月公开/授权情况

1.2 专利技术分支情况

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图1-2 燃料电池专利4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77件,其中发明专利授权公告44件;格罗夫公开专利63件,其中发明专利申请公开共59件;博世公司公开专利46件、大众公司与奥迪公司共公开专利38件、现代公司公开专利37件;中科院大连化物所公开专利35件,其中发明专利授权公告14件;潍柴动力公开专利21件,亿华通公开专利19件,可隆工业与清华大学均公开专利15件;上海捷氢、新源动力、智慧能源、中国一汽均公开专利9件。

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图1-3 标准化申请人专利4月公开/授权排名

在电堆压堆与封装技术上,现代公司公开了一种电堆紧固装置与紧固方法,通过该装置与紧固方法可有效防止绝缘板在组装时被其他部件干扰或妨碍,从而显著增强组装效率;上海重塑公开了一种电堆封装结构,通过在通风组件进气管和出气管上设置多个气孔,可通过吹风将进气处的氢气吹散,并利用出气管将壳体内的气体排出,防止部分氢气进入至阴极,保障燃料电池工作安全性与性能;上海捷氢公开一种电堆封装箱,该封装箱通过支撑导向结构以及可调节支撑导向杆实现电堆的有效导向、定位和支撑,从而有效保护电堆;武汉泰歌公开了一种电堆组装机构,该组装机构通过夹具将待装配电堆固定在机架上,然后利用驱动装置将夹具转动至需要角度,保证装配所需条件、解决悬吊安装掉落的问题;爱德曼氢能公开了一种电堆封装装置,通过连接杆升降、伺服驱动电机滑动,伺服驱动电机带动起子套筒给到上罩壳与燃料电池堆一面加装螺栓,然后通过伺服电机带动操作台转动,实现对不同侧面的加装。

在本月公开专利合作申请上,武汉理工大学与广东广顺新能源共同申请以下专利“一种基于充电-用氢模式的燃料电池剩余里程预测方法”、“燃料电池车辆驾驶行为分析方法、装置和存储介质”;博世公司与Nikola(尼古拉)共同申请以下专利:“用于使机动车的燃料电池系统运行方法”、“用于燃料电池电堆的冷却系统”;广东中以能源与中科院上海应物所共同申请“一种控制燃料电池稳定供氢的装置及其使用方法”的专利;北京科技大学与国网综合能源服务集团共同申请“一种有效识别电堆单元放电不一致性并对其进行相应调节,以保证每个单电池电信号处于安全工作范围内”的专利;上海重塑与同济大学共同申请了“一种燃料电池系统,该系统集成了供氢单元、空气供应单元、水热管理单元以及电功率管理子系统,可提供更高的系统性能”的专利。

2国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂4月专利公开情况

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图2-1 整车厂4月专利公开情况

国内整车厂在4月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利63件,主要涉及氢燃料电池汽车结构件、汽车驾驶控制、能量管理以及车内氢气浓度检测等;中国一汽公开专利9件,主要涉及燃料电池热管理、供氢控制以及增湿系统等;长城汽车公开专利6件,主要涉及燃料电池车辆能量管理、车辆绝缘检测以及空气系统消声器等;东风汽车公开专利5件,主要涉及供氢控制、金属双极板涂层修复以及空气压力调节等;中通客车公开专利5件,主要涉及电堆温度控制方法、FC客车集成式热管理系统以及氢系统集成工装等;一汽解放公开专利4件、宇通客车公开专利3件,爱驰汽车以及金龙汽车以及奇瑞汽车均公开专利2件,长安汽车与飞驰汽车均公开专利1件。

2.2 燃料电池企业4月专利公开情况

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图2-2 燃料电池企业4月专利公开情况

国内燃料电池企业在4月的专利公开情况如图2-2所示。其中,潍柴动力共公开专利21件(包括17件PCT专利),专利技术主要涉及SOFC冷却系统、排气能量再利用、系统启动方法等;亿华通公开专利19件,主要涉及燃料电池热管理、动力系统、氢瓶支架以及引射装置等;上海捷氢与新源动力均公开专利9件,其中上海捷氢公开专利技术主要涉及空压机、集流板、水温控制、加氢阀以及气密性检测系统等;爱德曼公开专利8件,主要涉及电堆组装、金属双极板插入式巡检结构以及系统测试装置等。深圳国氢与武汉喜玛拉雅光电均公开专利7件,其中深圳国氢公开专利技术主要涉及燃料电池汽车冷却系统、氢气浓度检测系统以及泄漏检测等;锋源氢能、国鸿氢能、深圳世椿以及国电投氢能均公开专利6件,其中锋源氢能公开专利主要涉及金属双极板制造方法、基板流道成型检测以及催化剂制备等。安徽枡水、上海重塑、无锡先导智能装备、武汉理工氢电以及浙江高成绿能均公开专利5件。其他在4月公开相关专利的企业还包括银隆新能源、广东喜玛拉雅氢能、氢枫能源、未势能源、摩氢科技等。

2.3 科研院所(校)4月专利公开情况

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图2-3 燃料电池科研院所(校)4月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在4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35件(包括1件美国专利公开),主要涉及金属双极板制造、膜电极及其组件制造、启停方法等;清华大学公开专利15件,主要涉及双极板制造、催化剂、冷启动以及寿命预测等;北京理工大学公开专利14件,主要涉及空压机、安全监控系统、加湿系统等;南京大学公开专利7件,主要涉及质子交换膜以及膜电极制备等;武汉理工大学与重庆地大工研院均公开专利6件,其中武汉理工大学公开专利主要涉及质子交换膜制备、铂催化剂回收、双极板流场参数设计等。电子科技大学、同济大学、武汉船用电力推进装置研究所均公开专利5件;福州大学、浙江大学、中国科学技术大学均公开专利3件。

3部分申请人公开专利介绍

3.1 丰田公司

2021年4月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利77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JP2021052575A、JP2021064438A。JP2021052575A涉及燃料电池冷藏车用电源系统;JP2021064438A涉及燃料电池老化处理。

3.1.1 JP2021052575A——燃料电池冷藏车用电源系统

在燃料电池冷藏车工作过程中,需要确保车内冷却装置的电力供应。当车辆临时停车时,需要将二次电池的电力提供给冷却装置,因此在二次电池与驱动装置之间设置了继电器,并对该继电器进行控制以向冷却装置供电。然而,当用于控制该继电器的系统发生故障时,可能不能为冷却装置供电。

基于此,丰田公司提出一种燃料电池冷藏车用电源系统。该电源系统包括燃料电池系统70、驱动系统20、冷却装置30、控制单元80,二次电池继电器40等。其中,二次电池通过导线L1向驱动电机和冷却装置供电;驱动系统20包括升压系统50、逆变器22、驱动电机21等。

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图3-1-1 燃料电池冷藏车用电源系统

为了保障冷却装置的电力供应,丰田提出了在冷藏车工作期间的电源设定处理方法。

首先,控制单元确认是否检测到燃料电池系统发生故障,如当燃料电池电压低于设定下限电压时,则判断燃料电池系统发生故障。当检测到燃料电池系统发生故障时,控制单元将冷却装置的电源设定为二次电池,并结束电源设定处理。当未检测到燃料电池系统发生故障,控制单元开始确认是否检测到驱动系统发生故障,如当超过预定阈值的电流流过逆变器22时,控制单元检测到驱动系统发生故障,此时控制单元将冷却装置的电源设置为燃料电池。当未检测到驱动系统发生故障,控制单元接着判断二次电池是否发生故障,如当二次电池电压低于设定的下限电压时,控制单元检测到二次电池发生故障,此时控制单元将冷却装置的电源设置为燃料电池。此外,在检测二次电池发生故障时,控制单元还可判断燃料电池是否启动,当燃料电池启动时,则保持将冷却装置的电源设置为二次电池;在燃料电池未起动的情况下,则切断二次电池的电力供应状态,防止当将二次电池电力用于燃料电池系统启动电源时,使用故障的二次电池来启动燃料电池系统,以向冷却装置供电。

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图3-1-2 电源设定流程图

3.1.2 JP2021064438A——燃料电池老化处理方法

由于电解质膜水含量不足,电堆在组装后可能出现发电性能不足的现象。而现有燃料电池老化处理方法中,需要耗费较长时间才能来使电解质膜水含量充足。基于此,丰田公司提出了一种新老化处理方法,通过以最大供应压力供给氧化气体,并经预定时间后停止电堆发电来快速增加电解质膜的含水量并去除附着在催化剂上的杂质。详情如下:

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图3-1-3 老化处理示意图

当燃料电池堆组装完成后,控制装置80将燃料气体和氧化气体供应到燃料电池,并启动连接到燃料电池的负载以使燃料电池开始发电,燃料电池在发电的同时产生热量。其中,燃料气体以预定流量进行供给,氧化气体以最大供应压力(如设定为≥150kPa)进行供给。当以最大供应压力将氧化气体供应至燃料电池时,由于每个电池隔板的氧化气体通道压力升高,氧化气体流速降低,因此氧化气体动能降低,使得每个单元电池流路上流动的氧化气体压力损失减小,从而使每个单元电池的氧化气体流量均衡。

在经预设时间后,控制装置降低氧化气体的回路压力,并停止电堆发电。当电堆停止发电后,单元电池的温度开始降低。由于氧化气体分压降低,水蒸气分压开始上升。通过在蒸汽分压增加的状态下停止发电,可以促进由单元电池温度下降引起的水蒸气结露现象(即水蒸气冷凝为液态水),因此可以提前增加各单电池电解质膜的含水量并去除附着在催化剂上的杂质,缩短了燃料电池老化处理时间。

3.2 本田公司

2021年4月,本田公司在燃料电池领域共公开专利22件,主要涉及电堆、系统控制、储氢相关等技术分支。下文分析的本田公司燃料电池相关专利的专利公开号为US10971744B2、CN112599819A。US10971744B2涉及燃料电池MEA漏电检测;CN112599819A涉及燃料电池启动方法。

3.2.1 US10971744B2——燃料电池MEA漏电检测

当MEA在热压过程中产生损伤或是当碳纤维刺穿电解质膜时,MEA可能会发生漏电现象。在燃料电池工作过程中,反应热会导致具有缺陷的MEA进一步发生劣化,进而影响燃料电池发电性能。因此,需要在装堆前提前检测出发生漏电的MEA,并执行相应处理。现有技术有采用施加恒流电源给电池充电并通过测量稳定状态时的电流值来检测MEA是否发生漏电。然而,测量稳定状态下的电流值需要花费较长时间,使得检查MEA的时间偏长。

为了缩短检测时间,现有技术有提及在电流达到稳定状态前,通过施加更大的检测电压来缩短充电时间,从而缩短检测MEA的时间。然而,电压变化越大,电流值达至稳定状态所花的时间就越长。如果在电流不稳定的状态下进行检查,则会导致精度降低。

基于此,本田提出了一种MEA漏电检测方法。通过施加阶段式递减电流,可有效缩短检测时间以及提高检测精度。

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图3-2-1 MEA漏电检测示意图

首先,将待检测MEA放置于检测装置上,通过施加载荷确保上下电极板夹持住MEA;当MEA固定后,施加电解质膜可承受的最大电压U1(如1V)至MEA,经预定充电时间t1(如1s)后,减小施加电压值至第二电压U2(如0.6-0.8V)。在以第二电压U2充电规定时间t2后(t2>t1,t2可选6S),将电压减小至检测电压U3(如0.3V),经时间t3后(t3>t2,t3可选13s)测量电流值,同时根据电流值的大小来判断MEA是否正常。在检测判断完成后即可解除电极板加压并将MEA取出以结束检查。

本方案通过施加较短时间的大电压来快速对MEA进行充电;通过使施加的电压阶段式下降,减少了伴随电压下降产生的逆流电流量,从而减小了电流值变动;另外,利用电压幅值较小的检测电压可同时兼顾检测时间与检测精度。

3.2.2 CN112599819A——燃料电池启动方法

当燃料电池停止发电后,若系统内残留有反应气体,可能使得阴极侧保持高电位,造成催化剂层发生劣化。为了防止该情况发生,现有技术中有采用排气再循环处理(EGR处理),即在燃料电池运转停止时将阴极流路中残留的氧化气体通过排气再循环管路重新送至电堆,使电堆进行发电,同时将电堆与高压蓄电池连接,利用电堆发电产生的电力来对高压蓄电池充电。由此,电堆电压降低,可利用高压蓄电池的电力来启动燃料电池车辆。然而,当燃料电池长时间闲置时,高压蓄电池会因自身放电而使得SOC降低,因此没有足够的电力来驱动气泵向电堆供给氧化气体,造成燃料电池车辆无法启动。

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图3-2-2 现有技术燃料电池系统示意图

基于此,本田公司提出了一种燃料电池系统启动方法,通过利用低压蓄电池驱动排气再循环泵吸入大气并将其供给电堆中,同时从燃料罐向电堆供给燃料气体来使电堆发电,将电堆发电产生的电力来对高压蓄电池充电,当高压蓄电池电力足够时执行通常发电。详情如下:

燃料电池系统12包括电堆34、氧化气体供给装置36、燃料气体供给装置38、排气再循环泵54(EGR泵)、高压蓄电池14、低压蓄电池16、升压转换器18、降压转换器28、升降压转换器26、控制装置30等。

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图3-2-3 CN112599819A燃料电池系统示意图

当燃料电池车辆停机时,控制器利用EGR泵执行EGR处理,将系统内残留的氧化气体消耗掉。在车辆处于长时间闲置状态下,若重新启动燃料电池车辆,首先由电压表、电流表、温度计分别获取高压蓄电池、低压蓄电池的电压、电流以及温度,基于高压蓄电池、低压的开路电压(即获得的电压值)以及温度分别计算各自的SOC,并进行记录。判断高压蓄电池的开路电压Vhocv是否大于等于驱动气泵的阈值电压Vth;当Vhocv<Vth,高压蓄电池不能驱动气泵运转。在此情况下,由低压蓄电池驱动EGR泵,当EGR反转驱动以及空气吸入阀78打开时(t2时刻),由于因内部空气循环产生的负压,大气被吸入到氧化气体排出管路67侧,并从氧化气体出口连通口58b导入到阴极流路47中,因此阴极流量47内的氧浓度上升。在t3时刻,将阻断阀84打开,驱动喷射器57,将燃料气体供给到电堆,并且将高压蓄电池与电堆连接,电堆开始进行发电并对高压蓄电池进行充电。在Vhocv≥Vth的t4时刻,接触器50闭合,空气吸入阀78关闭,使用高压蓄电池的电力驱动气泵52,执行通常发电。

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图3-2-4 燃料电池系统启动时序图

3.3 博世公司&尼古拉卡车

3.3.1 CN112740452A——双堆燃料电池系统工作方法

为了保证燃料电池发电效率,需要对燃料电池运行温度进行控制。如,在燃料电池运行期间需要提供有效冷却以防止燃料电池出现过热情况;另外,在低温启动时,需要快速提升电池温度以提高反应效率。

基于此,博世公司与尼古拉公司共同申请专利中提及到一种高效、经济运行燃料电池系统的方法,通过提出四种不同的运行模式,来保证双堆系统的有效运行。具体如下:

燃料电池系统包括电堆22、26,第一冷却剂回路14,第二冷却剂回路18,旁通管路64、72,第一冷却剂泵30、第二冷却剂泵34,PTC加热器42,内部空间热交换器82等。

运行模式1:在电堆22、26不活动、第二冷却剂泵34不活动(即第二冷却剂回路18不活动)的情况下,通过第一冷却剂泵30向燃料电池22输入冷却剂,输入电堆的冷却剂经PTC电热器42加热。在运行模式1中,第一冷却剂回路58不活动,冷却剂流经第一旁路管路64,同时内部空间热交换器82不活动,以实现快速对电堆22进行预热。当电堆22温度达到可启动的最低温度后,电堆22开始工作,为了节省能量,此时停止PTC加热器42工作,同时打开第二冷却剂泵34,利用电堆22产生的废热加热冷却剂来对电堆26进行预热。为了加速电堆26的预热,冷却剂同样仅流经第二旁路管路72,同时内部空间热交换器82可进行使用。

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图3-3-1 运行模式1示意图

运行模式2:在电堆22活动,电堆26不活动的情况下,通过使冷却剂泵30、34运行,以将冷却剂泵送至冷却剂回路14、18。冷却剂经过不活动的电堆26,使电堆26保持温暖。为了避免对冷却剂进行不必要的加热,在运行模式2下,PTC加热器不进行工作(内部空间热交换器82为运行状态)。

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图3-3-2 运行模式2示意图

运行模式3:在电堆22、26均活动的情况下,电堆22、26产生的废热经冷却器62、70排走。在该模式下,PTC加热器同样不运行。

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图3-3-3 运行模式3示意图

运行模式4:在该运行模式下,电堆26、第二冷却器70不活动,通过降低冷却功率,确保燃料电池车辆在外部低温以及行车风引起冷却风险时冷却剂回路14、18中冷却剂的温度合适,此时冷却剂绕行旁通流路72,且仍流入电堆26,使电堆26温度保持在运行温度范围内。

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图3-3-4 运行模式4示意图

在双堆系统中,通过快速预热单个电堆,同时利用该电堆工作产生的废热对另一电堆进行加热,可有效减少电加热器消耗的能量;通过利用系统中所有的冷却器可将单个冷却器设计得更小或者降低用于冷却所需的排风功率;通过使冷却剂流经不活动的电堆,并使该电堆保持在合适温度,可降低驱动所需冷却器的功率,实现节能目的。

3.4 储氢相关技术部分专利一览


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