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燃料電池領域全球專利監控報告(2019年11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11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,主要涉及燃料電池系統控制相關專利的分析。

—后臺留言“11月報告”可獲取PDF版本監控報告和專利清單—

1、整體情況介紹

1.1 專利公開地區情況

2019年11月,燃料電池領域在全球范圍內公開/授權的專利共912件,較上月相比,數量有一定的下降。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11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11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。其中,豐田公司公開的專利為61件,發明授權公開39件,發明申請公開22件;LG和現代公司的專利公開數量均為28件,其中LG公司公開的專利中,有提及到通過人工智能單元來改變燃料電池堆工作條件的技術;松下公司、本田公司的專利公開數量分別為25件、17件。

圖1-3 標準化申請人專利11月公開/授權排名

另外,在11月公開的專利數據中,申請人“熵零技術邏輯工程院集團股份有限公司”共公開了19件與燃料電池相關的專利,并對其“帶電粒子分離裝置”通過了12篇發明專利進行了保護,在這些專利文本中提及到“電解質(例如質子膜)一直是制約燃料電池技術發展的瓶頸,因此,發明了一種新型帶電粒子分離裝置”。

2、國內申請人專利公開情況

本文章按照國內整車廠、燃料電池企業和科研院所(校)對燃料電池相關機構進行分類,并選取了部分機構統計其在2019年11月的專利公開情況。

2.1 國內整車廠11月專利公開情況

國內整車廠在11月的專利公開情況如圖2-1所示。其中武漢泰歌共公開專利共5件,格羅夫、中國一汽、中通客車均公開了4件專利,奇瑞汽車公開了3件專利。其他在11月公開了相關專利的整車廠還包括東風汽車、宇通客車、元城汽車等。

圖2-1 整車廠11月專利公開情況

2.2 燃料電池企業11月專利公開情況

國內燃料電池企業在11月的專利公開情況如圖2-2所示。其中,鋒源氫能和格力集團均公開了10件專利,主要涉及燃料電池電堆等;雄韜氫雄和濰柴動力分別公開了9件和8件專利;勢加透博公開的專利中,其技術主要涉及空壓機;其他在11月公開了相關專利的企業還包括華能集團、眾宇動力、氫璞創能、榮創新能、武漢中極氫能、兆業新能源等。

圖2-2 燃料電池企業11月專利公開情況(點擊查看大圖)

2.3 科研院所(校)11月專利公開情況

燃料電池相關研究科研院所(校)在11月的專利公開情況如圖2-3所示。其中,清華大學公開的相關專利較多,共9件,有6件為發明專利申請,主要涉及燃料電池電堆等。天津大學和武漢理工大學均有4件專利公開,其中天津大學有兩件發明專利授權。

圖2-3 相關科研院所(校)11月專利公開情況

3、部分申請人及公開專利介紹

本月第3節將重點分析與燃料電池系統控制相關的專利,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11月公開專利技術構成

2019年11月,豐田公司在燃料電池領域共公開專利61件,主要涉及電堆、控制系統、整車等技術分支。

下文分析的豐田公司燃料電池系統控制相關專利的公開號為:US10486543B2、US10483572B2、DE112008003022B4。

3.1.1 US10486543B2——用于燃料電池車輛的電壓控制裝置

燃料電池車輛通常設置有可充放電的二次電池。二次電池的作用有許多,例如可將燃料電池產生的電力儲存起來或者在燃料電池電力供應不能時,將其電力供應到驅動馬達上。在燃料電池車輛加速過程早期,通常使用二次電池的電力來驅動空氣壓縮機。如果二次電池SOC處于低水平或者其所處環境溫度較低,會使得二池電池的輸出受限,因此不能給空氣壓縮機提供充足的加速所需電力,使得燃料電池發電啟動延遲以及驅動馬達的加速時間增長。

為了解決上述問題,現有技術通過將燃料電池設定在發電待機狀態下來確保燃料電池車輛加速早期階段的驅動馬達驅動力,然而在此種情形下,可能導致二池電池因過度充電而發生劣化。

基于此,US10486543B2提出了一種用于燃料電池車輛的電壓控制裝置,可確保在二次電池輸出受限時的車輛加速響應性,具體為:

電壓控制裝置100包括燃料電池10、FC升壓轉換器20、FC繼電器電路30、電力控制單元(PCU) 40、二次電池 50、控制單元60、二次電池繼電器電路70、輔助電池105、空氣壓縮機MG1和驅動馬達MG2等。

圖3-2 電壓控制裝置100示意圖

當控制單元60確定出能夠從二次電池50供應到空氣壓縮機MG1的電力小于空氣壓縮機的加速維持電力下限值時:

方式一:控制單元60將車輛中的輔助機器(如輔助馬達25、26,輔助逆變器23、23,加熱器27等)設置為消耗狀態,使得燃料電池產生的電力被輔助機器消耗以防止二池電池過度充電;當車輛作出加速請求時,控制單元60通過控制以減少輔助機器的電力消耗,并將此部分電力供應至空氣壓縮機MG1以使空氣壓縮機MG1加速(或者供應至驅動馬達MG2);

方式二:控制單元60將空氣壓縮機設置為消耗狀態(如增大旁通通道中閥的開度),使得燃料電池產生的電力被空氣壓縮機消耗以防止二次電池過度充電;當車輛作出加速請求時,控制單元通過控制以減小旁通通道中閥的開度,使得從空氣壓縮機供應至燃料電池的氣體量增加,以使燃料電池產生的電力增加,因此能夠在早期階段將燃料電池產生的電力供應至驅動馬達,使驅動馬達MG2的加速時間減少。還可以理解為,控制單元通過減少空氣壓縮機MG1的電力消耗并將此部分電力供應至驅動馬達MG2,使驅動馬達MG2的加速時間減少;

方式三:控制單元60使電容器41維持在升壓狀態中以防止二池電池過度充電,當車輛作出加速請求時,控制單元60將電容器41中的電力供應到空氣壓縮機MG1以使空氣壓縮機MG1加速時間減少,因此能夠在早期階段將燃料電池中產生的電氣供應至驅動馬達MG2中,使驅動馬達MG2的加速時間減少。

通過上述控制,可有效防止二次電池過充以及確保燃料電池車輛良好的加速響應性能。

圖3-3 US10486543B2控制單元控制流程示意圖(點擊查看大圖)

3.1.2 US10483572B2——燃料電池系統中冷卻介質的流量控制方法及燃料電池系統

燃料電池系統包括由多個單電池層疊而來的燃料電池堆。在現有技術中,為了使燃料電池系統在冰點下順利啟動,通常采用關閉冷卻水供應泵,使得在冷卻水不循環的狀態下快速對發電部位進行升溫(可參見專利JP2010186599A)。然而,位于電堆端部的單電池較難升溫,若沒有流經其他單電池的冷卻水攜帶廢熱給端部單電池加熱,會使得電堆整體上升至規定溫度的時間變長,且電堆內部的溫度分布不均勻。

圖3-4  US10483572B2燃料電池系統示意圖

基于上述技術問題,US10483572B2提出了一種燃料電池系統中冷卻介質的流量控制方法及燃料電池系統,控制方法主要為:

(1)首先判定流向電堆內部的冷卻介質循環流路(R1)入口處(P1)的冷卻介質溫度(即入口溫度)是否在0℃以上:溫度比較判定部610測定冷卻介質循環流路出口處(P2)的溫度是否在0℃以上,若小于0℃,則判定入口P1處的溫度小于0℃;若在0℃以上,同時求出上次判定P2處溫度為0℃以上到本次判結果期間的冷卻介質流量,若該冷卻介質流量能循環冷卻介質流路一周以上,則判定入口P1處的溫度在0℃以上;

(2)P1處溫度為0℃以上時,調整冷卻介質循環流路中的冷卻介質流量:將冷卻介質循環流路中的冷卻介質流量調整為比通常流量(用于冷卻燃料電池通常運行狀態下產生熱量所需的冷卻介質流量)多;反之,則少。

圖3-5 US10483572B2冷卻介質流量控制示意圖

具體地,當燃料電池在冰點下啟動時,流量控制部620基于溫度比較判定部610的判定結果,通過控制循環用泵440來決定冷卻介質供給量,可參照圖3-6。

圖3-6 冷卻水(介質)流量映射圖

其中L1-L6為燃料電池100的溫度小于0℃時使用;L7為燃料電池100溫度在0℃以上時使用。L1-L6以隨著燃料電池堆發熱量增加而冷卻介質流量增加的方式設定(但始終比通常流量小,防止冷卻水凍結),以促進燃料電池100的熱循環。L7中冷卻介質流量始終大于通常流量(此時冷卻介質不會發生凍結),以加快燃料電池的熱循環,并使燃料電池快速上升至規定溫度。

3.1.3 DE112008003022B4——燃料電池系統

在燃料電池中,如果內部流路中殘留有生成水、冷凝水,則燃料電池在低溫啟動時,此部分水可能會發生凍結,從而導致氣體流路堵塞或者電解質膜、隔板、閥等組件被破壞。現有技術通常采用在燃料電池運轉結束后,向燃料電池內通入干燥空氣來除去燃料電池內部的殘留水,即執行掃氣處理(可參考專利JP2007157621A)。然而,執行掃氣處理是在燃料電池停止發電后利用二次電池中的電力來執行的。如果在燃料氣體欠缺的情況下,同時在燃料電池停止發電后利用二次電池的電力來執行掃氣處理的話,會造成二次電池剩余電量減少,從而縮短了采用二次電池作為動力源時的車輛行駛距離。

圖3-7 DE112008003022B4燃料電池系統

為了解決上述問題,DE112008003022B4提出了一種燃料電池系統,既能夠在燃料電池停止運行后執行掃氣處理,又能抑制二次電池電量的過多下降,具體為:

燃料電池系統具有電堆、二次電池、掃氣處理單元、控制單元、空壓機等。

首先,控制單元判斷壓力傳感器P測得的值是否在氣體欠缺閾值(氣體欠缺閾值是判斷為氣體欠缺時的氫氣剩余壓力值)以下;

當壓力傳感器P測得值在氣體欠缺閾值以下時,控制單元執行燃料電池停止發電操作并在縮短掃氣處理所需時間的基礎上掃氣處理,以抑制二次電池電量的過多下降;

當壓力傳感器P測得值在氣體欠缺閾值以上時,控制單元判斷燃料電池是否為停止發電狀態,若燃料電池已停止發電,則執行通常的掃氣操作。

圖3-8 DE112008003022B4控制流程圖

掃氣處理單元以通過空壓機向燃料電池供給氧化氣體的形式來執行掃氣處理。此外,當壓力傳感器P測得值在氣體欠缺閾值以下時,還可通過限制空壓機向燃料電池供給的氧化氣體量來執行掃氣限制處理,以保障二次電池的電量不過多下降,確保采用二次電池作為動力源時的車輛的行駛距離。

3.2 現代公司

圖3-9 現代公司11月公開專利技術構成

2019年11月,現代公司在燃料電池領域共公開專利28件,主要涉及電堆、控制系統、熱管理等技術分支。

下文分析的現代公司燃料電池系統控制相關專利的公開號為:US20190356005A1、CN105280934B。

3.2.1 US20190356005A1——燃料電池系統及其控制方法

燃料電池發電生成水并需將生成水排出到外部。實際上,生成水一部分可通過氫氣或者空氣的流動排出到外部,但還有一部分殘留在燃料電池內部。尤其當燃料電池陽極側存在大量水時,水可能會阻礙氫氣的供應,致使燃料電池堆的發電性能降低以及內部組件損壞等。

為了解決上述技術問題,現有技術采用將排氣管連接到電堆陽極側,通過打開/關閉凈化閥,每隔一段(預定)時間將陽極氫氣排出到外部(通過排出氫氣的形式帶出殘留水)。但采用此種方式,陽極側排出的氫氣濃度較高(氫氣濃度在60%-70%),可能存在爆炸風險;此外由于氫氣的利用率下降,可能導致燃料電池系統效率降低。

圖3-10 US20190356005A1燃料電池系統

基于此,US20190356005A1提出了一種燃料電池系統及其控制方法,通過準確預測燃料電池堆中的水量并在適當時間將燃料電池堆的水排出,具體為:

燃料電池系統包括燃料電池堆、氫氣供應設備、控制器以及排放-凈化閥等。

控制器可以在燃料電池啟動時或者在執行氫氣凈化排出燃料電池堆中的水后計算燃料電池堆的水量。在執行氫氣凈化后,燃料電池中的即時殘留水量可以根據燃料電池堆的溫度以及凈化期間氫氣的流速等變化來確定。然后,控制器計算預定時間段內的燃料電池堆的平均溫度和平均輸出功率,并基于平均溫度和平平均輸出功率值來計算出ti-ti+1時間段的最大殘留水量,可參考圖3-11。最大殘留水量可理解為當燃料電池堆在預定溫度下以預定輸出功率進行操作時,燃料電池堆中的水量隨著時間流逝而匯聚的值。

圖3-11 最大殘留水量與堆體功率、溫度的關系圖

控制器可以基于最大殘留水量來獲得燃料電池堆中的水增加量/減少量,進而獲得此時燃料電池堆內的水量。如控制器可以通過將從ti-ti+1時間段內的水增加量/減少量△yi+1與時間ti處的水量Y(ti)相加,獲得時間ti+1處的水量Y(ti+1),即Y(ti+1)=Y(ti)+Δyi+1。

控制器可以通過將每預設時間間隔△t的水增加量/減少量△yi+1與采用氫氣凈化之后的燃料電池堆內的即時水量相加,獲得時間tn處的電堆水量Y(tn)。控制器基于實時檢測到的燃料電池堆水量,確定該時刻是否需要執行氫氣凈化操作以將燃料電池堆內的水排出。

因此,通過上述步驟可在適當時間將燃料電池堆內的水排出,從而防止燃料電池堆的發電性能下降,同時提高燃料電池系統的耐久性。

圖3-12 燃料電池系統控制方法流程圖

3.2.2 CN105280934B——燃料電池系統的驅動控制方法和系統

當燃料電池溫度降到0℃以下時,通過加濕器供應的水以及反應生成的水可能發生凍結。當水凍結成冰后,其體積增大,會對膜電極組件等造成損壞且阻塞氣體供應通道。因此,為了在冷啟動后順利驅動燃料電池車輛,需要減少燃料電池中的剩余水量。通常而言,減少燃料電池中的剩余水量可通過將駕駛期間的燃料電池中剩余水量維持在預定值(或預定值以下)或者在停機后通過吹掃除去。另一方面,燃料電池堆溫度越低,則電堆出口側的飽和蒸氣壓越低,會使得燃料電池排出的水量降低,剩余水量增多。剩余水量的增多可能會造成溢流現象(陰極生成的水流動到陽極側)以及導致在冷啟動時產生反向電壓,致使碳載體發生腐蝕。(如下圖所示,隨著燃料電池堆溫度的降低,燃料電池堆中剩余水量增加)

圖3-13 燃料電池堆溫度與剩余水量關系圖

基于此,CN105280934B提出了一種通過調整陽極側氫壓力來改善冷啟動性能的燃料電池系統控制方法,具體為:

當燃料電池車輛處于冷啟動模式下時,在車輛啟動的時候監控外部溫度。當監測到的外部溫度低于0℃時,將燃料電池堆陽極側的氫壓力增大到最大值,即陽極側壓力-陰極側壓力=可允許的最大壓力差(50kPa);隨著燃料電池溫度的上升,陰陽極壓力差逐漸減小,當上升至50℃時,陰陽極的壓力差僅為5kPa,此后燃料電池車輛正常驅動,將陽極側和陰極側的壓力差維持在≤5Kpa即可。

在燃料電池車輛停下來后,若監測到室外溫度低于0℃,則增大陽極側的氫氣壓力,從而將陽極側的剩余水移動到陰極側,以減少陽極側的剩余水量。

通過在車輛進入冷啟動模式時增大陽極側的壓力差,可有效維持燃料電池電壓的穩定性,從而改善燃料電池車輛的冷啟動性能,減少冷啟動完成的時間。另外,通過在車輛停止后增大陽極側的壓力差,可有效減少陽極側的剩余水量,防止因冷啟動期間陽極側水結冰引起的碳載體腐蝕發生,確保燃料電池發電性能。

圖3-14 CN105280934B陽極側氫壓力控制流程圖

3.3 其他燃料電池系統控制專利一覽

 

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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