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導讀：

各位讀者大家好，2021年03月燃料電池全球專利監控報告全新發布～本期監控報告主要內容包括三個部分，分別為：

1、2021年03月燃料電池領域公開專利整體情況介紹；

2、國內申請人專利公開情況介紹；

3、部分申請人公開專利介紹，具體專利技術包括現代公司燃料電池平均功率計算、燃料電池裝堆后活化方法；本田公司燃料電池停機吹掃時間設定方法、防止燃料電池低溫啟動時清掃閥節流孔件發生閉塞；豐田公司抑制儲氫罐卷繞纖維發生松弛。部分雙極板加工方法／裝置相關公開專利一覽等。

1． 整體情況介紹

1．1 專利公開地域情況

2021年3月，燃料電池領域在全球范圍內公開／授權的專利共1308件。本月，中國地區專利公開數量790件，較上月公開數量（659件）增加較多，主要為發明專利申請公開數量增加較多；日本公開專利數量148件，美國公開專利數量127件。部分公開國家／地區／組織以及數量情況如圖1－1所示。

圖1－1 部分地區燃料電池專利3月公開／授權情況

1．2 專利技術分支情況

圖1－2 燃料電池專利3月公開／授權的技術分布

1．3 申請人專利申請情況

將專利申請人經過標準化處理后，對標準化申請人的專利申請數量進行統計，如圖1－3所示。本月，豐田公司公開專利93件，其中發明專利授權公告50件、發明專利申請公開41件；格羅夫公開專利51件，均為發明專利申請公開；博世公司公開專利35、現代公司公開專利31件；大眾公司與奧迪公司共公開專利26件；中科院大連化物所公開專利22件；愛德曼氫能、北京理工大學、濰柴動力、武漢理工大學均公開專利11件；未勢能源、森村SOFC、上海韻量、松下公司、無錫先導智能、武漢雄韜氫雄均公開專利9件。

圖1－3 標準化申請人專利3月公開／授權排名

在燃料電池測試技術上，上海韻量新能源公開了一種燃料電池振動測試裝置，該振動測試裝置通過將輸氣管道吸氣口設置在室外，采用正壓式通風方式，避免了泄露的可燃性氣體進入振動測試裝置內部而引起的爆炸發生；北京新研創能公開了一種空冷電堆活化測試平臺，該測試平臺能夠提高進入至空冷電堆中的常溫空氣的水分含量，并通過借助水霧中液態微粒子氣化過程吸收電堆中的熱量，來避免電堆超溫，從而降低電堆活化難度以及縮短電堆活化時間等；合肥科威爾公開了一種燃料電池發動機雙系統多工況測試臺架，可同時滿足單機大功率的測試需求以及并機測試需求；奇瑞汽車公開了一種燃料電池系統絕緣檢測方法，通過獲取冷卻水TDS計算出其電導率，然后通過冷卻水電導率獲得冷卻水上刻度、下刻度絕緣電阻率，進而推算出電堆冷卻系統絕緣電阻。

2． 國內申請人專利公開情況

2．1 國內整車廠3月專利公開情況

圖2－1 整車廠3月專利公開情況

國內整車廠在3月的專利公開情況如圖2－1所示。其中，格羅夫公開專利51件，主要涉及氫燃料電池汽車結構件、汽車駕駛（安全）、動力系統設計、溫度控制等；東風汽車公開專利6件，主要涉及電堆加熱裝置、汽車氫氣瓶檢測方法、雙極板激光焊接夾具、低溫吹掃等；上汽集團公開專利5件，主要涉及質子交換膜制備、尾氣水汽分離裝置、空氣系統控制方法、冷啟動控制等；一汽解放公開專利5件，主要涉及燃料電池活化方法、水汽分離裝置、整車冷卻系統、車輛能量管理方法等；眾宇動力公開專利5件，主要涉及電堆捆綁裝置、電堆巡檢連接結構、去離子器等。奇瑞汽車公開專利4件，中國一汽公開專利3件，北汽福田、江淮汽車均公開專利2件。另外，北汽集團、長安汽車、大運汽車、廣汽集團、金龍汽車在3月均公開專利1件。

2．2 燃料電池企業3月專利公開情況

圖2－2 燃料電池企業3月專利公開情況

國內燃料電池企業在3月的專利公開情況如圖2－2所示。愛德曼氫能與濰柴動力均公開專利11件，其中愛德曼氫能公開專利主要涉及雙極板結構、點膠工裝、快速粘接裝置，CCM制造裝置，電堆組裝設備等。格力電器公開專利10件，主要涉及雙極板結構、燃料電池保護控制系統與降溫控制系統等。上海韻量、未勢能源、無錫先導智能裝置、武漢雄韜氫雄共公開專利9件，其中上海韻量公開的專利主要涉及燃料電池檢測技術，包括膜電極泄漏檢測、電堆捆扎力檢測、電堆尺寸檢測等；未勢能源公開的專利主要涉及儲氫瓶熱激活排壓閥、氫氣管路夾，膜電極組裝方法等。北京華商三優與北京潞電電氣合作申請專利共公開8件，主要涉及儲氫罐室外儲存相關裝置與結構設計、氫能源發電車以及散熱器等；魔方新能源與無錫威孚高科均公開專利7件；江蘇申氫宸與山東東岳均公開專利6件；江蘇國富氫能／張家港氫云、舜華新能源、弈森科技均公開專利5件，其他在3月公開相關專利的企業有：河南豫氫、摩氫科技、億華通、浙江高成綠能、明天氫能等。

2．3 科研院所（校）3月專利公開情況

圖2－3 燃料電池科研院所（校）3月專利公開情況

燃料電池相關科研院所（校）在3月的專利公開情況如圖2－3所示。其中，中科院大連化物所公開專利22件，主要涉及燃料電池膜電極制備、電堆封裝、直接甲醇燃料電池抗毒化方法、直接液體燃料電池陰極水含量測定等；北京理工大學和武漢理工大學均公開專利11件，其中北京理工大學公開專利主要涉及動力系統DC／DC變換裝置、動力系統能量輸入輸出監控裝置、低電流壓氣機控制方法、超高速電動空壓機擴穩控制方法；武漢理工大學公開專利主要涉及催化劑漿料、質子交換膜制備，電堆排水性能改善，反極程度監測方法等；西安交通大學公開專利7件，主要涉及固體氧化物燃料電池相關技術以及氫燃料電池循環氫氣一體化處理裝置等；哈爾濱工業大學、吉林大學、南京大學、同濟大學均公開專利5件，其中同濟大學公開專利主要涉及超薄碳基雙極板、金屬雙極板耐久性測試、低溫啟動等。大連理工大學、清華大學均公開專利4件。北京工業大學、福州大學、北京航天試驗技術研究所、廣東工業大學、上海交通大學、揚州大學、中國礦業大學、重慶大學均公開專利3件。

3．   部分申請人及公開專利介紹

3．1 現代公司

2021年3月，現代公司在燃料電池領域共公開專利31件，主要涉及電堆、系統控制、檢驗檢測等技術分支。下文分析的現代公司燃料電池相關專利的專利公開號為KR102221208B1、CN106450381B。KR102221208B涉及燃料電池平均功率計算；CN106450381B涉及燃料電池裝堆后的活化方法。

3．1．1 KR102221208B——燃料電池平均功率計算

現有技術有采用在順序測量電堆所有單電池電壓后，然后通過測量末端電流來計算出燃料電池功率。由于各單電池電壓測量時間與電流測量存在時間差，因此不能較為精確地計算出燃料電池功率。當不精確的計算結果用于診斷燃料電池發電狀態以及對燃料電池進行調整時，可能造成燃料電池損壞。

基于此，現代公司提出一種提升測量燃料電池平均功率精確度的方法，該方法通過測量燃料電池各單電池正向電壓后，然后測量輸出端電流，緊接著在相同時間內從末端反向測量各單元電池的電壓，以正向電壓、反向電壓為基礎計算出平均電壓，然后通過平均電壓和測量電流值計算出燃料電池的平均功率。詳情如下。

燃料電池平均功率測量裝置如下圖所示，包括電堆100、電壓測量單元400、控制部、電流測量單元300、電源單元200等，電源單元可以提供電壓測量單元操作所需的功率。

圖3－1－1 KR102221208B1燃料電池系統示意圖

在燃料電池運行過程中，電壓測量單元從電堆最低單元電池向最高單元電池方向依次對各單電池電壓進行測量，從而得到正向電壓；在得到正向電壓后，由電流測量單元對燃料電池輸出端電流進行測量；緊接著，電壓測量單元在同一時間內從相反方向再次對電堆各單電池電壓進行測量以得到反向電壓；控制部根據正、反向電壓計算出平均值，然后根據平均電壓值與所測電流值計算出平均功率。控制器將平均功率與每個單電池的功率進行，從而判斷單電池是否存在異常。

圖3－1－2 測量燃料電池單元電壓、電流的定時視圖

本測量方法通過同步電堆電壓測量時間點與電流測量時間點，可以精確計算出電堆的平均功率，并精確診斷燃料電池的狀態，以及對燃料電池進行操作，防止燃料電池發生損壞。

3．1．2 CN106450381B——燃料電池堆活化方法

在組裝燃料電池堆后，由于初次運行時電堆電化學反應活性低，因此需要對電堆進行活化處理以使其發揮最佳性能。在采用脈沖放電（反復執行高電流密度的放電與關斷）對電堆進行活化處理時，針對約220個單電池的處理時間為90－120分鐘。采用該種方式雖然可以通過改變燃料電池內部水流動來使活化速度加快，但增加了氫氣用量（需使用約2．9Kg氫氣）且處理時間仍偏長。

基于此，現代公司提出了一種新的活化處理方法，通過使相鄰單電池之間短路來快速降低電堆電壓，并去除殘留在電堆中氧，可有效減少氫氣用量以及減少電堆活化處理時間。詳情如下。

S1：在開始進行電堆活化處理時，向電堆供應氧氣和氫氣，在使電堆處于開路電壓狀態后停止氧氣和氫氣的供應；

S2：通過單電池電壓感測端板來讓電堆中的相鄰單電池電連接，使得相鄰單電池短路，從而使單電池電壓變為0V；

S3：在使單電池短路后，再次向電堆供應氧氣和氫氣，并采用施加0．6－1．0A／cm2的電流密度對電堆進行預處理，預處理時間為10－60秒；在預處理過程中，設定0．6－1．0A／cm2大小的電流密度可檢測有缺陷的單電池，并且確認其在高、低電流密度下的電壓穩定性。具體地，現代設定了預處理過程中的電流為360A，處理時間30秒。

S4：當電堆重新進入開路電壓狀態后，通過施加1．0－1．4A／cm2電流密度約30－180秒，再次通過短路使電堆降壓將至0V（保持時間小于5秒），從而去除電堆殘留的氧。如現代設定了電流432A，處理時間120秒，通過以高電流密度脈沖運行來使催化劑周圍的全氟磺酸膨脹，引發電極結構變化，使閉孔變成開孔，從而減少物質轉移阻力。通過快速去除殘留在電堆中的氧，可使Pt－OX還原并使鉑／粘合劑界面優化，從而提升了活化速度。

S5：在去除氧后，經預定休息時間（30－300秒）后，再次供應氧氣和氫氣。

（重復上述過程至少11次）

圖3－1－3 CN106450381B電堆活化處理

現代公司的活化處理方案通過使電堆相鄰單電池短路并使處于開路電壓狀態的單電池電壓降至0V后，可重復進行活化，并且在活化過程中，通過采用短路來快速降低電壓，并去除堆內殘留的氧，從而加速了活化過程。總體而言，該活化過程減少了固定所需要的時間，可使活化處理時間縮短至75分鐘左右，同時減少了活化過程的氫氣用量，氫氣耗量約1．7千克。

3．2 本田公司

2021年3月，本田公司在燃料電池領域共公開專利25件，主要涉及系統控制、電堆、排放回收等技術分支。下文分析的現代公司燃料電池相關專利的專利公開號為CN112467173A、CN112542597A。CN112467173A涉及燃料電池停機吹掃時間設定方法；CN112542597A涉及防止燃料電池低溫啟動時清掃閥節流孔件發生閉塞。

3．2．1 CN112467173A——燃料電池停機吹掃時間設定方法

為了防止燃料電池車輛在低溫環境下其燃料電池系統內殘留的水分發生凍結，需要在停機時對系統內殘留水分進行吹掃，以保證車輛在低溫環境下的啟動性能。現有技術參考了供給至電堆內部的氧化氣體質量流量來設定掃氣時間，以使得掃氣后的電堆交流阻抗達至最佳濕潤狀態時的對應值。然而，基于上述方法設定掃氣時間并進行掃氣處理后，當燃料電池系統在冰點以下啟動時，其實際交流阻抗會與理想設定值存在偏差，存在電堆過分干燥或干燥不充分的情形。由于大氣壓強、溫度對氣體質量流量計算存在影響，特別是當燃料電池車輛運行在海拔高且平均氣溫低的高原地區時，采用上述方法進行掃氣處理往往不能達到預期效果，因此需要更加精準地對掃氣時間進行設定。

基于此，本田公司提出了一種基于與大氣壓有關的體積流量值來設定掃氣時間的方法，該設定方法可有效減少系統在冰點下啟動后的阻抗偏差，提高燃料電池車輛在冰點下的啟動性能。詳情如下。

燃料電池系統如圖所示，包括：電堆、氣流傳感器、控制部、通信單元等，其中通信單元包括大氣濕度獲取部件、大氣壓獲取部件等，另外可根據需要在正極72與負極71之間連接交流阻抗測量器。

圖3－2－1 CN112467173A燃料電池系統示意圖

當系統控制部檢測到燃料電池車輛電力開關從接通狀態轉換為斷開狀態時，控制部基于通信單元獲取的氣象信息，判斷下次啟動是否在低溫條件下。當判斷燃料電池車輛下次啟動在低溫條件下時，控制部基于考慮了大氣壓變化的體積流量值F來設定掃氣時間，并獲取計算體積流量值F的相關參數，包括由氣流傳感器獲取到的空氣質量流量M、由壓力傳感器檢測到的陰極入口壓力Pi、車輛所處海拔的大氣壓強Pa，陰極入口處溫度Ti等。體積流量值F計算可參考下列公式。

圖3－2－2 體積流量值F計算公式

在計算出體積流量值F后，可參考體積流量值F與掃氣時間St之間的對應關系，計算出掃氣時間St。掃氣時間St還可根據參照系數K（系數K值可根據相對濕度Ha％進行確定）進行修正。

圖3－2－3 修正系數K與相對濕度Ha關系示意圖

此方案基于汽車所處海拔的大氣壓來計算得出體積流量值F，并通過體積流量值F對掃氣時間進行確認，因此無論是在空氣稀薄的高原地區還是平地，都能設定合適的掃氣時間來確保燃料電池始終處于最合適的濕潤狀態，防止燃料電池車輛在低溫啟動時交流阻抗出現偏差，確保其低溫啟動性能。

3．2．2 CN112542597A——防止燃料電池低溫啟動時清掃閥節流孔件發生閉塞

在燃料電池工作過程中，可通過控制陽極循環流路清掃閥的開閉來控制含氮陽極排氣的排出，保障陽極循環流路的氫濃度。當燃料電池在低溫環境下啟動時，包含水蒸氣的陽極排氣排出時，由于電堆與排氣輔助設備之間的溫度差，陽極排氣被快速冷卻，水蒸氣凝華成細小冰粒，且冰粒隨著陽極排氣在陽極循環回路中移動。在低溫啟動初期，由于清掃閥的溫度較低，因此帶冰粒的陽極排氣可通過設置有節流孔件的清掃閥。當燃料電池驅動清掃閥動作而使清掃閥溫度上升時，一部分冰粒發生熔化并附著在節流孔件的壁部，因此冰粒開始在節流孔件中進行積聚，使得節流孔件開始出現堵塞現象。隨著燃料電池工作時間的推移，節流孔件繼續升溫，節流孔件入口處的冰粒溶解，出口側的冰粒仍凍結，溶解后液體因堵塞的冰粒而滯留，使得節流孔件完全閉塞。當節流孔件完全閉塞時，包含氮的陽極排氣無法通過清掃閥排出，使得燃料電池陽極側氮濃度上升，而氫濃度相應出現下降。氫濃度的下降可能會使得燃料電池無法進行發電。

圖3－2－4 節流孔件處冰粒聚集示意圖

為了解決上述問題，本田公司發現當清掃閥完全閉塞時，若系統繼續驅動清掃閥而使其升溫，節流孔件中積聚冰粒可完全溶解，此時陽極排氣可從節流孔件中排出。燃料電池系統可在節流孔件完全解凍后，切換清掃閥開閉控制陽極氣體的排出，以調整陽極循環回路的氫濃度。因此，本田公司提出了一種燃料電池系統低溫啟動方法，通過將清掃閥設置為常開狀態，可有效防止氫濃度過低，保證燃料電池系統低溫啟動性能。詳情如下。

燃料電池系統如圖所示，包括陽極循環回路55、氣液分離部、包含節流孔件74的清掃閥72、排水管66等。

圖3－2－5 燃料電池系統示意圖

圖3－2－6 CN112542597A控制示意圖

首先，在燃料電池啟動經設定時間t11后，控制部判斷陽極出口溫度是否低于設定的凍結溫度閾值，當低于閾值時，控制器執行節流孔件閉塞進行控制，并將清掃閥設置為常開狀態。通過把清掃閥設置為常開狀態，可保證在節流孔件在發生閉塞前順利排放含氮陽極排氣，保障陽極循環回路氫氣濃度，確保燃料電池低溫啟動性能。與此同時，控制部還會基于陽極排氣的飽和水蒸氣量（通過陽極飽和水蒸氣壓以及清掃氣體量來計算得出）來計算冰粒量，并根據冰粒量來判定節流孔件是否完全閉塞。

當冰粒量超過預設值時，控制器執行閉塞確認控制，繼續保持清掃閥常開狀態，由于在閉塞進行狀態時氫氣濃度較高，因此可允許在閉塞確定狀態處理時氫濃度下降。隨后，控制部持續對陽極出口溫度進行監測，當陽極出口溫度高于解凍溫度閾值時，節流孔件積聚的冰粒可完全溶解，此時控制器結束閉塞確認控制，并進行通常控制。在通常控制中，控制器可根據清掃氣體量來控制清掃閥的開閉，以將氫濃度維持在合適范圍。

圖3－2－7 燃料電池低溫啟動時序圖

3．3 豐田公司

2021年3月，豐田公司在燃料電池領域共公開專利93件，主要涉及電堆、系統控制、儲氫相關等。下文分析的豐田公司燃料電池相關專利的專利公開號為CN112497721A，該專利主要涉及抑制儲氫罐卷繞纖維發生松弛。

3．3．1 CN112497721A——抑制儲氫罐卷繞纖維發生松弛

現有技術公開了一種儲氫罐加強層制造方法，通過將熱固性樹脂纖維卷繞于襯里，然后通過加熱來使其固化，從而形成加強層。然而，在將樹脂纖維卷繞于襯里時，由于卷繞條件、襯里形狀等可能使卷繞的纖維產生松弛部分。當纖維在松弛狀態下被熱固化后，加強層也會存在相應的松弛部分，使得罐體強度降低。

基于此，豐田提出了一種儲氫罐制造方法，通過調整罐內壓力以及增大襯里形狀來改善卷繞纖維的松弛，保障罐體強度。詳情如下。

圖3－3－1 罐體結構圖

圖3－3－2 罐體纖維卷繞裝置示意圖

罐體結構以及罐體纖維卷繞裝置如上圖所示。罐體纖維卷繞方法如下：

S1 初始加壓程序：首先控制器控制內壓調整機構往罐內送入加壓氣體來使襯里的內壓上升到第一壓力P1，通過將內壓加壓至第一壓力P1可抑制在后續卷繞工序中因卷繞纖維載荷導致的襯里大幅度變形，從而避免因襯里變形而導致卷繞纖維產生松弛部分；

S2 卷繞工序：控制器通過控制纖維引導部、旋轉裝置來執行卷繞工序，通過組合環向卷繞、高角度螺旋卷繞以及低角度螺旋卷繞方式將浸漬有熱固性樹脂的纖維卷繞在包括襯里的罐主體上。在卷繞工序中，控制器在預先設置好的時間點依次將內壓升高至第二壓力P2、第三壓力P3，抑制因卷繞載荷致使的襯里大幅度變形，避免了因襯里變形而導致卷繞纖維產生松弛部分；

S3 減壓工序：控制器將壓力調整流路22以及減壓流路20連通，并驅動減壓閥23，以將罐內氣體向外部排出，使罐內壓力下降到第4壓力P4（P4＜P1）；

S4 形狀變形工序：形狀變形工序主要使襯里的形狀變大，包括軸線變形工序和加壓工序。其中軸線變形工序主要是通過向襯里施加外力，從而在軸線方向上增大襯里的形狀，從而減少纖維松弛程度；加壓工序主要是通過向罐內輸送氮氣以使罐內壓力增大至第五壓力P5，從而增大襯里徑向形狀（P5＞P3），減少卷繞纖維松弛程度；

S5 固化工序：將罐主體置于加熱罐內，使浸漬有熱固性樹脂的纖維固化，此時罐內壓力仍為第五壓力P5。

圖3－3－3 襯里內壓與各工序的關系示意圖

本方案通過在卷繞工序前以及卷繞工序過程中升壓，可防止卷繞纖維載荷導致的襯里大幅度變形，避免因襯里變形而導致卷繞纖維產生松弛部分；通過增加減壓工序，可使卷繞于襯里的纖維暫時松弛，減小重疊纖維間的摩擦力，使卷繞的纖維更容易移動；在固化工序前通過形狀變形工序增大襯里形狀，可有效通過拉伸變化改善卷繞纖維的松弛程度，避免熱固化后罐體強度不佳。?

3．4 部分雙極板加工方法／裝置相關公開專利一覽

（end）