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燃料電池領域全球專利監控報告(2019年6月)

各位讀者大家好,每月一期的燃料電池領域全球專利監控報告又和大家見面啦。本期監控報告的內容主要包括三個部分,分別為:

1、2019年6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、部分申請人介紹及其公開專利分析,主要涉及雙極板/隔板相關專利的分析;

1 整體情況介紹

1.1 專利公開國家情況

2019年6月,燃料電池領域在全球范圍內公開/授權的專利1272項專利族。其中發明申請公開798件(較上月增加50余件),發明授權346件。具體公開的國家/地區以及數量情況如圖1-1所示。

圖1-1 各國燃料電池6月公開/授權專利情況

由上圖可見,2019年6月燃料電池領域,中國公開的專利數量最多,其次是日本、美國、韓國等重視燃料電池技術的國家。其中中國公開專利中,發明申請數量較大,其數量遠大于發明授權和實用新型授權,說明在燃料電池領域申請人在中國的專利申請積極性較高,專利申請數量增長趨勢明顯。

1.2 專利技術分類情況

將燃料電池相關專利按照整車、動力系統(燃料電池集成系統)、電堆、空氣循環系統、氫氣循環系統、熱管理系統、控制系統、儲氫相關(儲氫瓶、儲氫材料等)、(廢氣、水)排放回收等11個類別進行分類,不屬于上述類別的專利申請劃分至其他。從技術分布上看,與電堆相關的專利申請數量最多,達到了650項。電堆作為燃料電池的核心,除了涉及雙極板、膜電極等組件,還包含電堆相關組件的制造設備,電堆的密封、絕緣等。

圖1-2燃料電池6月公開/授權專利的技術分布

同時,燃料電池系統控制、檢測方面的公開專利也較多,包括燃料電池噴射閥控制、功率控制、濕度檢測、供電時間估計等,此技術分支下的申請人主要集中在豐田、日產、現代等整車廠。

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量進行統計,如圖1-3所示。從申請人來看,專利公開數量排名前10位的公司中,外國公司占據多席,且多為整車廠。其中,豐田公司公開和授權的專利數量最多,達到了108件,其中發明申請公開89件,發明授權公開18件。現代公司與日產公司均排在豐田之后,專利公開數量分別為51件和47件;從近三月的公開數據來看,日韓整車廠的專利公開量一直位于申請人排名前列,同時有一定數量的發明專利被授權,可見在燃料電池領域,日韓整車廠整體技術實力更為領先。此外,LG、大眾、日本礙子、松下、東芝以及博世等外國公司的專利公開量均在10件以上。

圖1-3 標準化申請人6月公開/授權專利排名

中國申請人方面,中國科學院大連化學物理研究所專利公開數量最高,其排名為第2;大連化物所的專利公開類型主要為發明專利申請,其技術主要涉及雙極板、催化劑、質子交換膜、密封劑等,并在固體高溫燃料電池上有較多的技術改進。以西安交通大學、清華大學代表的國內高校,持續在燃料電池領域進行技術研發,專利公開數量較多。此外,鄭州宇通客車在2019年6月公開了12件專利,包括一件發明授權專利和實用新型授權專利,分別涉及空氣過濾裝置活性再生控制方法與裝置、車載燃料電池散熱系統。

2 國內申請人專利公開情況

目前國內燃料電池企業處于百家爭鳴的態勢,雖然目前還沒有出現一家獨大的情況,但是從專利申請情況可以對其技術研發情況做一個初步的了解。

本報告按照整車廠、燃料電池企業、科研院所對燃料電池相關機構進行初步分類,并選取了部分機構統計其在2019年6月的專利公開情況。

2.1 整車廠6月專利公開情況

整車廠在6月的專利公開情況如圖2-1所示。可以看到國內幾個主流整車廠均涉足燃料電池領域,其專利申請所涉及的技術分支包括電堆、儲氫、加氫等。本月,整車廠中鄭州宇通客車的專利公開數量最多。據資料顯示,宇通客車2009年開發了第一款燃料電池客車,是國內首家通過燃料電池商用車資質認證的企業,取得了國內燃料電池客車正式的公告,建成了中原地區加氫站,獲批客車行業燃料電池與氫能中心。宇通客車現已經開發了三代燃料電池客車產品,正在開發第四代。

另一方面,中國一汽在6月共公開了7件專利,主要涉及乘用車的燃料電池發動機結構、氫氣泄漏位置判斷、噴氫閥控制等;此外,武漢泰歌、吉利汽車、格羅夫、北汽、中國重汽、小藍新能源汽車等均有一定數量的專利公開。

圖2-1 整車廠6月公開專利情況

2.2 燃料電池企業6月專利公開情況

國內燃料電池企業在6月的專利公開情況如圖2-2所示。其中明天氫能共公開了10件專利,主要涉及電堆方面。其次是芬華氫能研究院江蘇有限公司與中氫新能分別公開了9件與5件專利,其他在6月公開了相關專利的企業包括大洋電機、廣東索特能源、江蘇氫電、鋒源氫能、索弗克等。

圖2-2 燃料電池企業6月的專利公開情況

2.3 科研院所(校)6月專利公開情況

燃料電池相關科研院所(校)在6月的專利公開情況如圖2-3所示。除了上述提及大連化物所、西安交通大學、清華大學外,六月公開專利的科研院所(校)還包括哈爾濱工程大學、華南理工大學、天津大學、上海交通大學等,其中大連理工大學有兩篇發明授權專利,分別涉及高可靠性燃料電池堆封裝設計方法和改善燃料電池堆內壓力分布的結構。

圖2-3燃料電池相關科研院所(校)6月的專利公開情況

3 部分申請人及公開專利介紹

本報告第3節將重點分析與雙極板/隔板相關的專利,并對涉及到的主要申請人的專利技術分布情況進行簡要介紹。

3.1 豐田公司

圖3-1 豐田公司6月公開專利技術構成

2019年6月,豐田公司在燃料電池領域共公開專利108件,主要涉及電堆、系統控制、系統檢測、動力系統等技術分支。從技術分支上可以看出,豐田在燃料電池領域的上、中、下游都有一定的專利布局。

下文分析的豐田公司雙極板/隔板相關專利的公開號為:CN109962256A、CN109950567A、EP3503251A1、US10316422B2、CN109943846A。

3.1.1CN109962256A&CN109950567A-防止基板金屬被溶出,提高耐蝕性

燃料電池膜電極中存在氟化物離子,當使用金屬雙極板/隔板時,氟化物離子可以將金屬雙極板/隔板基體材料中的金屬溶出,生成Fe2+,從而引發芬頓反應而生成過氧化氫。過氧化氫中的羥基自由基會攻擊膜電極,使得燃料電池發電性能和壽命下降,而固體電解質膜(包含氟基電解質樹脂)被自由基攻擊發生分解時,會進一步產生更多的氟化物離子,從而加劇燃料電池腐蝕問題。

通常燃料電池用金屬雙極板/隔板可利用金屬氧化物(如氧化錫)作為保護膜抑制鉻向正極擴散,來避免燃料電池的發電性能受到影響,然而氧化錫保護膜并不能阻止氟化物離子進入金屬雙極板/隔板。一方面是由于氟化物離子可以透過氧化錫保護膜進入金屬雙極板/隔板基體,另一方面氟化物離子還可以通過氧化錫保護膜的缺陷或裂縫直接與金屬雙極板/隔板基體接觸,從而導致金屬離子溶出。

為解決上述問題,豐田通過兩個技術手段來改善金屬雙極板/隔板的耐腐蝕性:一是在氧化錫保護膜中增加鋯元素來吸附氟化物離子(CN109962256A);二是在氧化錫保護膜的缺陷處覆上導電性高分子膜,從而減少金屬雙極板/隔板基體溶出,提高金屬雙極板/隔板的耐腐蝕性(CN109950567A)。具體信息見下文。

CN109962256A公開了一種燃料電池用隔板,其具有低接觸電阻,且在存在氟化物離子等高腐蝕環境下具備優異的耐腐蝕性能。具體為:該隔板包括金屬基材(鈦或者不銹鋼等),金屬基材表面覆有氧化錫膜(膜厚優選為10nm-300nm),氧化錫覆膜包括鋯元素(鋯具有吸附氟化物離子的性質,能夠抑制氟化物離子透過氧化錫覆膜),鋯相對于錫的元素比(Zr/Sn)為0.10~0.70(注:根據CN109962256A說明書內容,元素比實際為原子比),氧化錫的鋯原子摻雜比在3.0%~16.0%。

圖3-2 燃料電池用隔板的表面附近的放大截面圖

如上圖所示,氧化錫覆膜設置于金屬基材表面的至少一部分上即可,但是由于在氣體擴散層與隔板的接觸部分特別要求耐蝕性,因而需要在金屬基材的表面之中至少在與氣體擴散層接觸的部分上形成氧化錫覆膜。關于元素比(Zr/Sn),從耐蝕性和接觸電阻等方面進行考慮,優選為0.40- 0.50。

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