燃料電池領域全球專利監控報告(2019年4月)
(1)控制系統——燃料電池系統及控制方法
近年來,隨著環境形式越發嚴峻,固體高分子型燃料電池、固體氧化物型燃料電池等各種燃料電池向汽車中的利用正在被廣泛研究。這類燃料電池是通過含氫、烴等的陽極氣體與含氧的陰極氣體的電化學反應來進行發電(溫度在800℃左右)。進行了發電之后,從燃料電池排出的發電中未被使用的燃料氣體(陽極廢氣)和空氣(陰極廢氣)通常溫度較高,需要進行降溫處理。同時在使用了固體高分子型燃料電池的情況下,由于不能將含有很多氫的陽極廢氣直接從車輛釋放到外部,因此需要利用空氣將其稀釋到規定的濃度以下。

圖2-6 燃料電池系統主要結構概要圖
基于此,CN109565063A提供一種具備接受燃料氣體和氧化劑氣體供給來進行發電的固體氧化物型的燃料電池系統,其第一實施例(見圖2-6),燃料電池系統100包括:陽極氣體供給系統20,其向燃料電池堆10供給陽極氣體,具體包括陽極供給通路21、燃料罐22、過濾器23、泵24、噴射器25、蒸發器26、熱交換器27以及重整器28等;系統啟動系統30,其在系統啟動時利用;陰極氣體供給系統40,其向燃料電池堆10供給陰極氣體;排氣系統50,其對從燃料電池堆10排出的陽極廢氣和陰極廢氣進行排氣;以及電力系統60,其與燃料電池堆10之間進行電力的輸入和輸出。并且,燃料電池系統100具備對系統整體的動作進行統一控制的控制部80。其中空氣控制流程圖如下:

圖2-7 發電量調整處理流程圖
(2)整車——冷啟動

分析:
氫-氧燃料電池通過氧氣和氫氣反應以產生電、水、熱。其中產生的水用于水合燃料電池的膜,其他多余的水應進行排出。然而,在零度或冷凍環境溫度下或在燃料電池車輛的冷啟動期間,先前操作中保留在膜中的殘余水變成冰,從而阻塞燃料的陰極催化劑層中的孔。膜中的冰積聚阻止氧氣流向陰極催化劑而使得燃料電池車輛在冷啟動期間陰極催化劑層不活躍。若此時通入更多的氫氣和氧氣進行反應,可能會造成水產生得更多,由于熱量通過冷卻回路被吹走,會造成越來越多的水在陰極催化劑層凝聚成冰,最終導致燃料電池系統的總功率損失,車輛沒有啟動。

圖2-8 燃料電池系統
基于上述問題,該專利提供了一種在水冷凍條件下減少燃料電池組啟動期間積冰的方法,具體為,在燃料電池堆(FCS)啟動期間,基于燃料電池堆的MEA的水溶性限制從燃料電池堆汲取的電力,以及一個溫度計。限制所汲取的功率包括限制電流密度,并且其中功率限制包括基于提高燃料電池堆的入口溫度的時間來限制從燃料電池堆汲取的電功率。以這種方式,可以將膜中的總水量(包括剩余的水和產生的水)控制在燃料電池堆的耐冰曲線內。通過從FCS獲得有限的功率,其中可以基于感測的溫度和水量估計在啟動期間實時確定限制,可以操作FCS,同時減少由于冰形成而導致的間歇性功率損失。此外,冷卻劑泵可以在冷啟動期間操作以使更高流速的加熱冷卻劑返回,從而更快地將熱量重新引回到燃料電池堆中并且減少電流限制的時間段。
日產此篇專利的發明點是通過限制從燃料電池堆汲取電力,來提高燃料電池堆入口溫度,獨立權利要求僅對該方法的原理進行限定了,其保護范圍較大,如有采用類似技術來實現燃料電池車輛的冷啟動應特別注意,防止落入其保護范圍內。同時該專利進行PCT申請,不排除其日后有進入其他國家的可能。
2.3 現代公司

圖2-9 現代公司4月公開專利技術構成
2019年4月現代公司在燃料電池領域一共公開了31篇專利,專利所涉及到的技術主要包括控制系統、熱管理、電堆、整車等。作為韓系汽車的代表品牌,現代在燃料電池領域也有一定的建樹,其專利技術覆蓋技術分支較多。下面對本月現代公開的部分代表專利進行介紹、分析。
(1)儲氫相關——吸收儲氫罐膨脹結構

分析:
燃料電池車輛可由氫-氧之間的化學反應產生的電力來進行驅動,氫燃料氣體須通過儲氫罐(700bar)進行儲存。為了使儲氫罐加滿氫氣,通常安裝并固定幾個通氣孔在其外部,由于儲氫罐進行剛性固定,使得儲氫罐的膨脹不能被吸收。在加滿氫氣后(罐內高壓),由于氫的特性,儲氫罐會發生膨脹,如未能對其吸收,則應力施加到罐,如果儲氫罐上應力積聚,可能會導致其爆炸。

圖2-10 儲氫罐結構及彈性構件
基于此,該專利提供了一種儲氫罐,其外周表面上設置有帶狀構件,并且,在儲氫罐和帶狀構件之間插入彈性構件,其中兩個帶狀構件設置成圍繞儲氫罐的寬度方向,帶狀構件彼此平行安裝,其中彈性件由螺旋彈簧組成,螺旋彈簧的上下表面在儲氫罐和帶狀構件之間被壓縮。
此專利的發明點為通過在儲氫罐與帶狀構件設置彈性構件,使施加在儲氫罐膨脹上的力被彈性構件吸收,可確保氫氣罐的安全性并提高其耐久性。獨立權利要求僅對彈性件的類型進行了限定,“彈性件由螺旋彈簧組成”,并沒有對螺旋彈簧的具體形式進行限定,因此在采用類似技術實現吸收儲氫罐膨脹時,應小心落入其專利的保護范圍。
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