導(dǎo)讀

各位讀者大家好，2020年9月燃料電池全球?qū)＠�監(jiān)控報告全新發(fā)布。本期監(jiān)控報告的內(nèi)容主要包括三個部分，分別為：

1、2020年9月燃料電池領(lǐng)域公開專利整體情況介紹；

2、國內(nèi)申請人專利公開情況介紹；

3、部分申請人介紹及其公開專利解讀，具體專利技術(shù)包括豐田公司增加燃料電池從間歇發(fā)電轉(zhuǎn)換為通常發(fā)電時的過程控制以及平衡燃料電池電堆內(nèi)部的水分分布；現(xiàn)代公司通過紫外線粘合劑涂層來防止生成水向電解質(zhì)膜移動以及改善電極層與電解質(zhì)膜之間的界面結(jié)合力；本田公司以低成本對燃料電池輸出進(jìn)行檢查；博世公司通過使電堆保持相對干燥來減少停機(jī)時吹掃液態(tài)水的能量消耗。

一、整體情況介紹

1．1 專利公開地域情況

2020年9月，燃料電池領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)公開／授權(quán)的專利共1224件，較上月相比（1124），數(shù)量有一定下降。本月，中國地區(qū)專利公開數(shù)量與上月（581）而言有一定增加，主要為發(fā)明專利授權(quán)公告和實(shí)用新型專利公告數(shù)量有一定上升。部分公開國家／地區(qū)／組織以及數(shù)量情況如圖1－1所示。

圖1－1 部分地區(qū)燃料電池專利9月公開／授權(quán)情況

1．2 專利技術(shù)分支情況

圖1－2 燃料電池專利9月公開／授權(quán)的技術(shù)分布

1．3 申請人專利申請情況

將專利申請人經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對標(biāo)準(zhǔn)化申請人的專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1－3所示。本月，豐田公司公開專利118件，其中發(fā)明申請和發(fā)明授權(quán)數(shù)量分別為75、40件；日產(chǎn)公司公開專利30件、現(xiàn)代公司公開專利29件、本田公司公開專利27件；濰柴動力公開專利21件；格羅夫公開專利20件，其中實(shí)用新型共計(jì)18件；大洋電機(jī)和日本礙子均公開專利14件。

圖1－3 標(biāo)準(zhǔn)化申請人專利9月公開／授權(quán)排名

在燃料電池測試平臺方面，武漢中極氫能公開了燃料電池測試臺用氫氣循環(huán)裝置、氣體加濕裝置以及圖形用戶界面；北京新研創(chuàng)能在現(xiàn)有電堆測試平臺的基礎(chǔ)上增加了在線內(nèi)阻檢測單元；科威爾公開了一種可滿足大功率燃料電池發(fā)動機(jī)測試需要且能同時滿足功率等級向下兼容的測試需要的燃料電池測試臺；武漢海億新能源公開了一種機(jī)柜式電堆測試平臺結(jié)構(gòu)，該測臺為三柜式布局結(jié)構(gòu)，其空氣系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)三大子系統(tǒng)的布局在空間上進(jìn)行了分隔處理；大連銳格新能源公開了一種燃料電池氫氣循環(huán)泵測試臺用氫氣回收裝置。

二、國內(nèi)申請人專利公開情況

2．1 國內(nèi)整車廠9月專利公開情況

圖2－1 整車廠9月專利公開情況

國內(nèi)整車廠在9月的專利公開情況如圖2－1所示。其中，格羅夫公開專利20件，涉及較多與燃料電池車輛結(jié)構(gòu)、部件相關(guān)的專利；鄭州宇通公開專利7件，主要涉及熱管理、系統(tǒng)控制以及吹掃控制等；中國一汽公開公開專利6件，主要涉及電堆冷啟動能力評估方法、膜電極密封裝置的制備夾具以及去除GDL中的水的方法；東風(fēng)汽車公開專利5件，上汽集團(tuán)公開專利4件；長安汽車、長城汽車均公開專利3件，其中長安汽車公開的專利主要涉及車用燃料電池能量分配和氫泄漏檢測。

2．2 燃料電池企業(yè)9月專利公開情況

圖2－2 燃料電池企業(yè)9月專利公開情況

國內(nèi)燃料電池企業(yè)在9月的專利公開情況如圖2－2所示。其中，濰柴動力公開專利21件，主要涉及氫燃料電池輸出功率控制、電堆封裝結(jié)構(gòu)、陽極保護(hù)結(jié)構(gòu)以及SOFC相關(guān)專利等；大洋電機(jī)公開相關(guān)專利14件，主要涉及冷啟動、氫氣循環(huán)裝置以及空壓機(jī)控制等；無錫先導(dǎo)公開專利11件，主要涉及膜電極及其組件的制備方法和制備裝置、雙極板生產(chǎn)線、電堆生產(chǎn)線等；上海捷氫、浙江氫谷均公開專利9件，其中浙江氫谷公開的專利主要涉及排放回收，具體包括尾氣水分離裝置、氫氣與空氣混合及液相存儲器等。其他在9月公開相關(guān)專利的企業(yè)還包括武漢中極氫能、河南豫氫、魔方新能源、上海杰寧新能源、鋒源氫能、上海電氣、深圳國氫、愛德曼、明宇新能源、上海驥翀等。

2．3 科研院所（校）9月專利公開情況

圖2－3 燃料電池科研院所（校）9月專利公開情況

燃料電池相關(guān)科研院所（校）在9月的專利公開情況如圖2－3所示。其中，吉林大學(xué)公開專利8件，主要涉及動力系統(tǒng)能量管理、水回收裝置、氫氣尾排氣裝置以及排放優(yōu)化裝置等；武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所公開專利6件，主要涉及石墨雙極板制造、碳紙疏水預(yù)處理以及燃料電池注膠模具等；華南理工大學(xué)公開專利5件，主要涉及催化劑、膜電極制備等。其他在9月公開相關(guān)專利的科研院所（校）還包括中科院大連化物所、同濟(jì)大學(xué)、西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)等。

三、部分申請人公開專利解讀

3．1 豐田公司

2020年9月，豐田公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利118件，主要涉及電堆、系統(tǒng)控制、空氣系統(tǒng)等技術(shù)分支。下文分析的豐田公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號為JP2020140931A、JP2020149843A。JP2020140931A主要涉及燃料電池從間歇發(fā)電轉(zhuǎn)換為通常發(fā)電時的過程控制；JP2020149843A涉及平衡燃料電池電堆內(nèi)部的水分分布。

3．1．1 JP2020140931A——燃料電池系統(tǒng)控制

當(dāng)燃料電池車輛短暫停止時，為了抑制各單電池電壓下降，此時仍會供給燃料氣體和氧化氣體（先供應(yīng)燃料氣體，再供應(yīng)氧化氣體）。另外，為了將各單電池的電壓維持在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)會暫時停止發(fā)電，即間歇運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)切換至通常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，出現(xiàn)了以下問題：由于陽極側(cè)上存在水堵塞造成部分電池發(fā)生燃料氣體供應(yīng)不足，此時陽極側(cè)電勢增加，引起電壓反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，陽極催化劑發(fā)生劣化。另外，由于部分電池中氧化氣體過量供應(yīng)，使得電池電壓升高并超過氧化還原電位，使得陰極催化劑發(fā)生劣化。

圖3－1－1 JP2020140931A燃料電池系統(tǒng)示意圖

為了防止從間歇運(yùn)轉(zhuǎn)切換至通常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時燃料電池性能發(fā)生下降，專利JP2020140931A提出了一種燃料電池系統(tǒng)（見上圖）控制方法，通過向電堆供應(yīng)和循環(huán)比實(shí)際需求量更多的燃料氣體，來抑制燃料氣體缺乏引起的陽極催化劑劣化。另外，在供給更多燃料氣體的同時，吹掃出陽極側(cè)不均勻分布的液態(tài)水，并將陰極側(cè)不均勻分布液態(tài)水從陰極側(cè)向陽極側(cè)吹掃出。具體控制流程如下：首先，控制單元700執(zhí)行通常發(fā)電過程，當(dāng)指示執(zhí)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時，控制單元將各單電池的電壓維持在預(yù)定范圍內(nèi)；當(dāng)間歇運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔ０l(fā)電過程時，控制單元執(zhí)行過渡處理，將燃料氣體供給量設(shè)定為大于電堆所需發(fā)電量相對應(yīng)的燃料氣體量，并使其充分循環(huán)；在完成足夠的燃料氣體供應(yīng)后，開始供給所需的氧化氣體量，使燃料電池開始發(fā)電，并同時通過電池單元監(jiān)控器580獲取每個單電池的電壓；當(dāng)單電池電壓升高并接近氧化還原電壓ORP時，控制單元執(zhí)行增加發(fā)電量命令，使單電池電壓低于其上限電壓Vcu；當(dāng)氧化氣體供應(yīng)量達(dá)到要求值時，控制單元結(jié)束過渡過程中并使燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔ０l(fā)電過程。

圖3－1－2 JP2020140931A燃料電池系統(tǒng)控制流程圖

3．1．2 JP2020149843A——平衡燃料電池電堆內(nèi)部的水分分布

燃料電池中膜電極的濕度會直接影響燃料電池發(fā)電性能，當(dāng)燃料電池長時間高功率運(yùn)行時，膜電極溫度較高，容易因缺水而導(dǎo)致膜電極干燥進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電效率降低。而在燃料電池電堆內(nèi)部，水分分布不均衡，在陰極氣體和陽極氣體入口側(cè)，氣體較為干燥；而隨著陽極氣體反應(yīng)生成水分，在陽極氣體下游水分逐漸升高，甚至產(chǎn)生液態(tài)水。與此同時，陽極氣體下游的液態(tài)水會通過電解質(zhì)膜滲透到陰極側(cè)，導(dǎo)致相同部位陰極側(cè)氣體水分含量較高。為了解決高溫狀態(tài)下燃料電池膜電極缺水以及電堆內(nèi)部水分分布不均勻的問題，豐田公司在設(shè)計(jì)氣體流道時進(jìn)行了改進(jìn)，將陽極氣體和陰極氣體的流道設(shè)計(jì)為流動方向相反，并且在氣體流動路徑上設(shè)置有氣體阻力改變結(jié)構(gòu)，使得進(jìn)氣端和排氣端的氣體阻力較小，而中間部位氣體阻力較大，由此強(qiáng)迫氣體充分與電解質(zhì)膜接觸，使得氣體攜帶的水分充分濕潤膜電極。參見下圖，陽極氣體由左上角進(jìn)入，由右下角排出，而陰極氣體由左下角進(jìn)入，由右上角排出，陽極氣體和陰極氣體流動的方向相反，這樣陰極氣體的排氣端即為陽極氣體的進(jìn)氣端，此時陰極氣體水分較高，水分由電解質(zhì)膜滲透到陽極側(cè)，可以充分濕潤陽極氣體進(jìn)氣端的干燥氣體。

圖3－1－3 JP2020149843A氣體流動示意圖

此外，豐田公司還在雙極板（隔板）上設(shè)置了節(jié)流部16，節(jié)流部16位于雙極板的槽中，可以改變氣體流動的阻力。節(jié)流部16分別設(shè)置于氣體進(jìn)氣端和排氣端，當(dāng)氣體由進(jìn)氣端經(jīng)過節(jié)流部16進(jìn)入膜電極時，節(jié)流部16減少了氣體通道的橫截面積，因此可以迫使氣體更多的經(jīng)過氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層。而在排氣端，膜電極中間的氣體經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，氣體量減少，此時排氣端的節(jié)流部16可以讓氣體更多的保留在膜電極中間部位，也能減少氣體流出時帶走水分，提高膜電極中間部分的濕度。由此，豐田公司通過設(shè)置節(jié)流部能夠進(jìn)一步平衡電堆內(nèi)部的水分分布，避免膜電極過度干燥，提升燃料電池運(yùn)行效率。

圖3－1－4 JP2020149843A雙極板上設(shè)置有節(jié)流部

3．2 現(xiàn)代公司

2020年9月，現(xiàn)代公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利29件，主要涉及電堆、系統(tǒng)控制等技術(shù)分支。下文分析的現(xiàn)代公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號為KR1020200109959A。KR1020200109959A主要涉及通過紫外線粘合劑涂層來防止生成水向電解質(zhì)膜移動以及改善電極層與電解質(zhì)膜之間的界面結(jié)合力。

3．2．1 KR1020200109959A——膜電極組件及其制造方法

陰極催化劑層處的生成水以反向擴(kuò)散形式向電解質(zhì)膜移動時，溶解在水中的Pt離子也會隨水移動到電解質(zhì)膜中并沉積其中。在燃料電池頻繁啟停過程中，沉積在電解質(zhì)膜中的催化劑金屬量增加，反應(yīng)氣體通過滲透可直接在電解質(zhì)膜上發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)熱以及反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫會使電解質(zhì)膜發(fā)生劣化，甚至?xí)�使電解質(zhì)膜發(fā)生穿孔。另外，隨著燃料電池的運(yùn)行，電極層與電解質(zhì)膜之間的界面結(jié)合力會減弱，使得膜電極組件發(fā)生損壞，導(dǎo)致燃料電池性能和耐久性的降低。

圖3－2－1 帶有紫外線粘合劑涂層的MEA制作過程

為了防止生成水向電解質(zhì)膜移動以及改善電極層與電解質(zhì)膜之間的界面結(jié)合力，現(xiàn)代提出了在電解質(zhì)膜表面形成一種紫外線粘合劑涂層，然后在該涂層上結(jié)合電極層。紫外線粘合劑涂層漿料可包含光引發(fā)劑、親水性單體、功能性單體、疏水劑、溶劑以及添加劑等。制備方法為：首先混合親水性單體和功能性單體，然后將光引發(fā)劑注入至混合漿料中并充分分散，然后添加疏水劑、溶劑以及添加劑等制備成紫外線粘合劑涂層漿料（該漿料具有300cPs至500cPs的粘度）。將紫外線粘合劑涂層漿料涂覆至電解質(zhì)膜表面，然后將電極層結(jié)合至該涂層，從電極層照射紫外線來使紫外線粘合劑涂層漿料固化，形成具有較強(qiáng)疏水性，導(dǎo)電性和粘合性的涂層。其中光引發(fā)劑可選取2，2－二甲氧基－2－苯基苯乙酮，1－羥基環(huán)己基苯基酮和包含苯偶姻甲基醚的化合物；親水性單體可選自丙烯酸2－乙基己酯（2－EHA），丙烯酸異辛酯（IOA），丙烯酸丁酯（BA），丙烯酸異癸酯（IDA）等；功能性單體可選自丙烯酸（AAC）；疏水劑可選自聚四氟乙烯（PTFE），氟化乙烯丙烯（FEP），四氟乙烯（PFA）及其組合；溶劑可選自去離子水（DI），異丙醇（IPA）及其組合；添加劑可以選自咪唑鎓鹽，吡啶鎓鹽，a鹽及其組合。

3．3 本田公司

2020年9月，本田公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利27件，主要涉及電堆、整車、檢驗(yàn)檢測等技術(shù)分支。下文分析的本田公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號為US10784525B2。US10784525B2主要涉及以低成本對燃料電池輸出進(jìn)行檢查。

3．3．1 US10784525B2——燃料電池輸出檢測方法

為了對電堆進(jìn)行輸出檢查，現(xiàn)有技術(shù)采取讓電極間流過大電流來進(jìn)行燃料電池輸出測量，此種測試方法需要采用耐大電流測試設(shè)備以及消耗大量的反應(yīng)氣體，使得測試成本較高。然而為了降低成本，僅通過使電極間流動小電流來進(jìn)行輸出測量，則存在精度不準(zhǔn)確的問題。這是因?yàn)榇箅娏鳒y量時，由于電堆輸出電流大，導(dǎo)致輸出電壓低于氧化還原電位，因此起到了還原催化劑的作用；而測試電流較小時，由于輸出電壓高于氧化還原電位，因此輸出電壓可能受到催化劑氧化狀態(tài)的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確�；�于此，專利US10784525B2提出一種燃料電池輸出檢測方法，在進(jìn)行輸出檢測前對電極催化劑進(jìn)行還原處理，然后采用流通小電流的方式來進(jìn)行輸出檢測，具體如下：首先，將組裝后的電池堆14設(shè)置于輸出檢測裝置10處，具體見圖3－3－1。

圖3－3－1 US10784525B2燃料電池輸出檢測示意圖

對電極催化劑實(shí)施還原處理工序，向陽極電極26供給燃料氣體，向陰極電極28供給惰性氣體（如氮?dú)猓�，同時調(diào)節(jié)電堆14的溫度以及氣體露點(diǎn)來抑制電堆發(fā)生水淹和防止電解質(zhì)膜發(fā)生干燥。在供給氣體的同時，通過電壓施加部對電堆14施加循環(huán)升降的電壓（電極催化劑還原電位0．75V，施加循環(huán)升降電壓的范圍為0．08～1．00V，循環(huán)2次以上）以更有效地還原電極催化劑表面。在完成還原處理工序之后進(jìn)行輸出測定工序，此時停止電壓施加并將惰性氣體供應(yīng)替換成氧化氣體供應(yīng)，并通過通電部將陰陽極電氣連接。在測定工序中，采取流通小電流的方式來進(jìn)行輸出檢測。

3．4 博世公司

2020年9月，博世公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利13件，主要涉及電堆、空氣系統(tǒng)、氫系統(tǒng)等技術(shù)分支。下文分析的博世公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號為DE102019202703A1。DE102019202703A1主要涉及通過使電堆保持相對干燥來減少停機(jī)時吹掃液態(tài)水的能量消耗。

3．4．1 DE102019202703A1——使電堆保持相對干燥來減少停機(jī)時吹掃液態(tài)水的能量消耗

當(dāng)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在低溫環(huán)境時（低于水的冰點(diǎn)溫度），在燃料電池停機(jī)過程中必須將電堆內(nèi)部的液態(tài)水進(jìn)行吹掃，以避免液態(tài)水結(jié)冰對電堆造成損傷。而燃料電池吹掃過程需要空壓機(jī)全功率運(yùn)行20－30秒，這樣就容易造成電能的浪費(fèi)。

為了解決上述問題，博世公司在燃料電池氣體通道上設(shè)置了氣態(tài)水吸附裝置4，可以將氣體中的氣態(tài)水進(jìn)行充分吸收，由此確保電堆內(nèi)部的氣體水分含量很低。吸濕裝置可以采用吸濕性固體如硅膠等。為了進(jìn)一步提升除濕效果，可以利用冷卻裝置對氣態(tài)水吸附裝置4進(jìn)行冷卻，排出吸收的水分。此外，還可以利用附加的加熱裝置對電堆進(jìn)行加熱，確保除濕過程中電堆內(nèi)部僅含有氣態(tài)水而減少液態(tài)水含量。

圖3－4－1 DE102019202703A1燃料電池系統(tǒng)示意圖

3．5 儲氫罐部分公開專利一覽