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燃料电池领域全球专利监控报告(2021年06月)

北极星氢能网 来源:燃料电池专利情报  作者:刘胜  2021/8/3 11:49:22 我要投稿

北极星氢能网讯:2021年6月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1605件,较上月公开数量(1183件)增加较多。本月,中国地区专利公开数量985件,其中发明专利申请公开556件,发明专利授权公告共206件,实用新型授权公告共212件;日本公开专利数量178件,美国公开专利数量110件,韩国公开专利106件。

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

各位读者大家好,2021年6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06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、部分技术分支公开专利介绍,包括膜电极制备相关专利以及检验检测相关专利。

1整体情况介绍

1.1 专利公开地域情况

2021年6月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利共1605件,较上月公开数量(1183件)增加较多。本月,中国地区专利公开数量985件,其中发明专利申请公开556件,发明专利授权公告共206件,实用新型授权公告共212件;日本公开专利数量178件,美国公开专利数量110件,韩国公开专利106件。部分国家/地区/组织公开数量情况如图1-1所示。

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图1-1 部分地区燃料电池专利6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6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108件,其中发明专利授权公告62件、发明申请专利公开46件;大连化物所和现代公司均公开专利71件,其中大连化物所发明申请专利公开共50件;博世公司公开专利56件,未势能源公开专利30件,奥迪公司公开专利25件,亿华通公开专利20件;日产公司公开专利19件,上海神力与潍柴动力均公开专利18件,本田公司和可隆工业均公开专利17件,通用汽车公开专利15件;大连大学公开专利13,件,AVL、LG公司以及国鸿氢能均公开专利12件;格罗夫和松下公司均公开专利11件,上海捷氢公开专利10件。

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图1-3 标准化申请人专利6月公开/授权排名

在专利合作申请上,清华大学和中能源工程集团氢能科技有限公司共同申请了一种一体化密封电堆的制造方法,该制造方法提及的双极板等间距密封、灌胶或点胶原位封装的工艺路线,解决了目前电堆装配工艺存在的技术缺陷;神华新能源和武汉融氢科技公开了氢能源汽车控制方法,可根据车辆参数、车辆当前位置信息和加氢站推荐信息对汽车进行加氢操作,对汽车氢气余量进行监督管理;佛山仙湖实验室和武汉理工大学共同申请了一种燃料电池发动机用增湿器系统,该增湿器系统可满足多工况下燃料电池汽车的增湿需求,避免电堆发生水淹、过干等情形;西安交通大学和四川大川压缩机共同申请了3件空气增压系统相关专利,包括带离心油泵的空气增压系统、具有背靠背式叶轮的空气增压装置以及空气压缩和膨胀一体装置;北京理工大学和广汽集团共同申请了一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理,可利用循环约束检验策略对燃料电池系统功率进行进一步精确控制,使其满足功率的动态变化约束;上海交通大学和无锡先导智能共同申请了一种集成式燃料电池多功能在线测试装置,该测试装置可实现燃料电池装配压力分布测试、GDL压缩率测试、电流密度分布测试、阻抗分布测试、气体温湿度分布测试和积水分布测试等多物理场的在线同步测试。

2国内申请人专利公开情况

2.1 国内整车厂6月专利公开情况

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图2-1 整车厂6月专利公开情况

国内整车厂在6月的专利公开情况如图2-1所示。其中,格罗夫公开专利11件,主要涉及氢能源汽车预充电路及系统、轻卡储氢系统、电堆悬置系统、氢气吸排装置等;东风汽车公开专利8件,主要涉及可先密封再焊接的金属双极板结构、燃料电池汽车NVH测试装置、尾气水气分离排放系统等;一汽解放、中车电动、众宇动力均公开专利7件,其中中车电动公开专利主要涉及燃料电池散热系统、冷却液循环系统、空压机测试等,众宇动力公开专利主要涉及电堆压装机、电堆组装设备、电堆测试系统以及热管理系统等;宇通客车公开专利6件,主要涉及燃料电池混合动力车辆低温启动、氢系统瓶阀故障检测、加氢站加氢预冷控制方法等;中国一汽公开专利4件,主要涉及流场板、流道可变电堆结构、氢瓶紧固装置;北汽福田、长城汽车、吉利集团、奇瑞汽车均公开专利3件;广汽集团和上汽大通均公开专利2件,宝能汽车、佛山飞驰和上汽大众均公开专利1件。

2.2 燃料电池企业6月专利公开情况

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图2-2 燃料电池企业6月专利公开情况

国内燃料电池企业在6月的专利公开情况如图2-2所示。其中,未势能源公开专利30件,主要涉及储气瓶制备工艺及检测方法、瓶阀控制方法、热管理系统、供氢模块控制方法以及加湿器等;亿华通公开专利20件,主要涉及电堆寿命预测与衰减分析、电压变化器、膨胀水箱与去离子器、双极板冲压方法等;上海神力公开专利18件,主要涉及石墨双极板制备、气体扩散层制备、电堆活化方法以及电堆防震装置等;潍柴动力公开专利18件,主要涉及加氢机、功率恢复与功率自适应控制、排放处理系统以及温度控制方法等;国鸿氢能公开专利12件,主要涉及集流板、双极板结构、一体化密封膜电极结构、电堆活化方法等;上海捷氢公开专利10件,主要涉及高传质膜电极、湿度管理方法、测试用歧管以及空气背压阀等;国电投氢能、氢枫能源均公开专利9件,其中氢枫能源公开专利主要涉及加氢装置与加氢计费、储氢容器放置桁架、车载瓶恒温装置等;永安行公开专利8件,上海舜华以及烟台东德均公开专利7件,风氢扬、弗尔赛、苏州擎动以及海德利森均公开专利6件,格力电器、魔方新能源以及苏州泰仑电子均公开专利5件。

2.3 科研院所(校)6月专利公开情况

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图2-3 燃料电池科研院所(校)6月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在6月的专利公开情况如图2-3所示。其中,大连化物所公开71件,主要涉及超薄交联复合增强型质子交换膜制备、有序化催化层膜电极制备、膜电极密封与测试、金属双极板涂层改进、双极板流场结构改进以及电堆温度精细调控等;大连大学公开专利13件,主要涉及涉及燃料电池电极制备;清华大学公开专利9件,主要涉及进气降温增湿系统、电解液循环过滤装置、氢气泄漏安全防护系统、控制双电堆注水故障等;江苏大学公开专利8件,主要涉及水热管理系统、凹凸复合微结构质子交换膜以及双极板3D打印制作方法等;北京化工大学公开专利7件,主要涉及质子交换膜制备、IV型瓶用碳纤维复合材料制备等;电子科技大学、上海交通大学以及西安交通大学均公开专利6件,华南理工大学、吉林大学、同济大学以及武汉理工大学均公开专利5件,大连交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学以及中国科学技术大学均公开专利4件。

3部分技术分支公开专利介绍

3.1 膜电极制备相关专利介绍

3.1.1 现代公司 KR1020210073717A 使用多辊制造膜电极组件

在利用贴花法制备3CCM时,主要通过辊压将电极层转移到电解质膜的两侧,然后剥离离型纸。由于部分电极层材料保留在离型纸上,在丢弃离型纸时,该部分电极材料也随着离型纸被丢弃,导致电极材料发生浪费,使得膜电极组件制造成本上升。

基于此,现代公司提出了一种使电极层损失最小的膜电极组件连续生产方法。具体如下:

首先,将阴极电极材料以规则间隔的形式涂覆到离型纸上以形成第一涂层堆叠体,由于阴极12较厚,即使对其图案化和涂覆,其厚度也可以保持均匀;由于阳极11较薄,需采用连续涂覆的形式将阳极22材料涂覆到离型纸上以形成第二涂层堆叠体;同时,可将阴极32涂覆(可间隔、可连续)到离型纸上以制备第三涂层堆叠体。

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接下来制造第一MEA,以预定速度输送电解质膜40,将第一、第二涂层堆叠体设置在电解质膜的两侧,利用粘合辊60a、60b将阴阳电极层转移到电解质膜表面以制得第一MEA。粘合辊60a、60b中至少一个包含压花图案,使得压力仅施加到阳极的一部分上,通过调整压花图案的长度(即弧的长度)可调整转移到电解质膜40的阳极的长度。

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在第一MEA制备完成后,利用阳极堆叠体的剩余区域22a来制备第二MEA,通过利用粘合辊70a、70b将阳极剩余区域22a和阴极32转移到电解质膜50表面即可制得第二MEA。

由于在制备第一MEA后使用阳极堆叠体的剩余部分来制造第二MEA,减少了被废弃的电极层(阳极),有效降低了膜电极组件的制造成本。

3.1.2 现代公司 US11024866B2 弹性体框架

在利用MEA和垫片一体化的膜电极组件制备单电池时,可以保持单电池密封且改善层叠工艺中的便利性。现有一体化框架中,垫片和插入件(带GDL的MEA)通过粘合剂粘合,且在制备单电池过程中,需要使用粘合剂构件和密封构件来粘合隔板和一体式框架,导致材料成本和制造成本上升。

基于此,现代公司提出了一种弹性体电池框架以及制造方法,该弹性体框架由热塑性弹性体(TPE)制成,包括供反应气体和冷却剂流入与流出的歧管开孔、插入件容纳孔、插入件设置在插入件容纳孔中,插入件容纳孔的内周表面可包括围绕插入件的上表面和下表面之一以及插入件侧表面的台阶部。通过热接合将弹性体框架和插入件的重叠部分加热并加压,以形成第一、第二热压部,使弹性体框架和插入件彼此一体化。在制备单电池时,可将一对隔板设置弹性体框架的相对表面上,以引导反应气体和冷却剂的流动。

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由于弹性体框架和插入件之间的界面粘合不需要使用粘合构件,因此降低了材料成本并省去了粘合剂施加过程,从而降低了制造成本。另外,可在不使用密封构件的情况下确保反应区域的气密性,降低了密封构件制造以及生产工艺成本。

3.1.3 苏州擎动 WO2021102739A1 抗反极膜电极制备方法

反极是膜电极运行过程中所遭遇的一种劣化工况,在反极发生后,碳载体会不断被腐蚀,最终导致膜电极失效。在系统层面,预防燃料电池反极主要是通过电压巡检传感器来实施,但这并不能从本质上减少反极引起的性能损失,且电压巡检主要是检测膜电极的电位,当检测到电压变负时,反极实际上已经发生了一段时间,因此难以避免膜电极性能发生损失。

基于此,苏州擎动提出一种膜电极以及其制备方法,可有效降低发生反极后的性能损失,延迟膜电极反极耐受时间,增强膜电极抗反极能力。

膜电极包括质子交换膜,阴、阳极催化剂层,阴、阳极气体扩散层,其中阳极催化剂层包括第一催化剂层和第二催化剂层。第一催化剂层包括氢氧化催化剂、第二催化剂层包括混合的氢氧化催化剂和水电解催化剂。其中,第一催化剂层中、第二催化剂层中氢氧化催化剂的质量比为1:10-1:0.01,氢氧化催化剂活性成分包括Pt、Ir、PtIr合金和Pd中的一种或多种。第二催化剂层中水电解催化剂质量百分数为10-80%,活性成分为RuO2、IrO2和RuxIr1-xO2中的一种或多种。

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由于反极主要发生膜电极阳极侧,碳腐蚀程度由阳极电位、碳载体耐腐蚀性以及碳载体附近的水含量共同决定。阳极电位越高,碳腐蚀越严重,通过引入水电解催化剂可以维持质子流并降低阳极电位,从而减少碳腐蚀。由于阳极靠近膜区域的含水量比靠近气体扩散层的含水量高,碳载体越靠近膜,其与水发生腐蚀的情况就越严重,如果碳载体全部分布在靠近气体扩散层的区域,则传质距离明显增加,造成初始性能降低。因此,为了兼顾初始性能和降低碳腐蚀,氢氧化催化剂可分别分布在靠近膜区域和与靠近阳极扩散层的区域,在保证初始性能的同时明显降低反极后的性能损失,延长反极耐受时间。

3.2 检验检测相关专利介绍

3.2.1 丰田公司 CN109103481B 燃料电池组的检查方法

当存在阳极气体流路因制造误差而导致其流路直径变小时,液态水容易阻塞在相关单电池中,从而导致单电池发生劣化。因此,在电堆组装前需要检测容易发生阳极流路阻塞的单电池。

基于此,丰田公司提出了一种燃料电池组检查方法,通过检测电池电压变为负电压的单电池,可识别出易发生阳极流路液态水阻塞的单电池,详情如下。

首先控制部使用制冷剂出口温度传感器以及外部空气温度传感器来推断燃料电池组的温度,当判断燃料电池组的温度达到检查开始温度以下时(便于后续对冷凝水进行积蓄)执行检测;控制部使燃料电池组低负载运转,低负载运转产生的电流为额定电流的2%-15%,由于阳气废气与阳极气体循环泵之间的温度差,水气可在阳极气体循环泵处发生结露并生成液态水(S320);当燃料电池组达到暖机温度时,控制部判断低负载运转结束,执行非发电运转,此时燃料电池停止发电,但阳极气体循环仍继续运转,低负载运转中产生的生成水向单电池阳极侧移动,从而液态水积聚在阳极侧;当液态水积聚一定量后,燃料电池系统停止运转,使燃料电池待机,单电池内生成水经膜电极组件从阴极侧向阳极移动,使得单电池内的氢余量减少。

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经过一段时间后,阴极侧的水充分移动至阳极侧,控制部使燃料电池启动并使其在产生较小电流的状态下进行发电。由于在待机过程中,阴极侧空气中的氮也经由膜电极组件向阳极侧移动,因此在燃料电池发电前,需要向燃料电池组供给阳极气体来置换残存于各单电池阳极的气体(即氢置换),另外借助氢置换工序还可使阳极气体循环流路内的液态水向各单电池的阳极气体导入流路流入。当燃料电池持续以较小电流状态进行发电时,此时单电池内的氢被消耗,阳极气体导入流路阻塞的单电池会因缺氢而变成负电压。当控制部检测到电压变为负电压的单电池后,告知检查员,由检查员对相关单电池进行更换。

3.2.2 中车电动 CN112952159A 空压机测试方法及系统

燃料电池空压机寄生功率可占燃料电池电堆输出功率的20%,直接影响着燃料电池发动机的效率、动态性能、噪音等关键性能指标。因此,在燃料电池系统开发过程中空压机的测试、选型尤为重要。

基于此,中车电动提出了一种空压机测试方法及系统,首先计算电堆在不同功率下所需的空气流量和空气压力值;在测试时将电堆模拟器与空压机连接,设定空压机的转速,并利用压力测试组件和流量测试组件实时调节和检测电堆模拟器的消耗空气流量和入口空气压力值,当调节后的空气流量和空气压力值同时达到燃料电池堆所需的空气流量和空气压力值时,判定空压机匹配燃料电池堆,否则进入一下步骤。若先前设定的空压机转速无法匹配电堆,则提高空压机转速,继续检测调节后的空气流量和空气压力值是否同时达到燃料电池堆所需的空气流量和空气压力值,若达到,则判定空压机匹配燃料电池堆;若空压机转速提至最高转速仍无法达到要求,则判定空压机不匹配燃料电池堆。即,空压机在测试时可根据燃料电池堆所需参数来实时调节转速,并及时判断是否匹配。

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3.2.3 现代公司 CN112977174A 燃料电池车辆电堆阻抗测试

通过针对各种频带测量电堆阻抗可掌握电堆的状态。如在高频区域中,可以通过估计燃料电池堆内部的电荷量来判断欧姆损耗;而在低频区域中,可以估计燃料电池的阴极催化剂层和气体扩散层中的材料传递损失特性。通常,在电堆稳定状态的工作点可针对每个频带对燃料电池堆的电压端子施加小的AC信号,然后利用对施加信号的响应信号振幅和相位差来测量阻抗。然而,在车辆运行期间,电堆输出很难保持稳定,即使达到稳定状态,由于存在与燃料电池堆连接的各种外围组件的阻抗,因此也难以精确地测量燃料电池堆的阻抗值。

基于此,现代公司提出了一种测量车辆燃料电池堆阻抗的方法,具体如下。

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首先,判断车辆运行期间是否请求测量电堆阻抗,当接受到测量阻抗信号时,控制器将DC/DC切换到降压模式,从而切断通过DC/DC流至电池的电流,同时利用电池电力驱动马达和汽车电子部件。为了保证电池电力足够,在切换至降压模式前,需利用电堆产生的电力将电池的SOC增大到≥第一参考值α。

当DC/DC切换至降压模式后,控制器确定用于测量电堆阻抗的第一电流值,并可基于该第一电流值确定和控制COD可变电阻器的电阻值(即第一电阻值)。换言之,当将COD可变电阻器的电阻值控制为第一电阻值时,电堆可在输出与第一电流值相对应的电流状态下工作。当以第一电阻值驱动COD可变电阻器以及驱动堆外围组件装置后,待电堆输出电流稳定后即可利用阻抗计针对每个频带测量电堆的阻抗。当测量电堆阻抗时,用于驱动电堆外围装置的要求电流改变时,可针对每个预设频带改变COD可变电阻器的电阻值,确保电堆输出保持为第一电流值,保障检测精确性。

另外,在检测过程中,为了防止电池电量过放以及确保车辆安全行驶,当电池SOC≤第二参考值β时,将DC/DC切换至升压模式,以将电堆输出电力用于车辆驱动。

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原标题:专利info | 燃料电池领域全球专利监控报告(2021年06月)

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