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燃料电池领域全球专利监控报告(2019年4月)

(1)控制系统——燃料电池系统及控制方法

近年来,随着环境形式越发严峻,固体高分子型燃料电池、固体氧化物型燃料电池等各种燃料电池向汽车中的利用正在被广泛研究。这类燃料电池是通过含氢、烃等的阳极气体与含氧的阴极气体的电化学反应来进行发电(温度在800℃左右)。进行了发电之后,从燃料电池排出的发电中未被使用的燃料气体(阳极废气)和空气(阴极废气)通常温度较高,需要进行降温处理。同时在使用了固体高分子型燃料电池的情况下,由于不能将含有很多氢的阳极废气直接从车辆释放到外部,因此需要利用空气将其稀释到规定的浓度以下。

图2-6 燃料电池系统主要结构概要图

基于此,CN109565063A提供一种具备接受燃料气体和氧化剂气体供给来进行发电的固体氧化物型的燃料电池系统,其第一实施例(见图2-6),燃料电池系统100包括:阳极气体供给系统20,其向燃料电池堆10供给阳极气体,具体包括阳极供给通路21、燃料罐22、过滤器23、泵24、喷射器25、蒸发器26、热交换器27以及重整器28等;系统启动系统30,其在系统启动时利用;阴极气体供给系统40,其向燃料电池堆10供给阴极气体;排气系统50,其对从燃料电池堆10排出的阳极废气和阴极废气进行排气;以及电力系统60,其与燃料电池堆10之间进行电力的输入和输出。并且,燃料电池系统100具备对系统整体的动作进行统一控制的控制部80。其中空气控制流程图如下:

图2-7 发电量调整处理流程图

(2)整车——冷启动

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分析:

氢-氧燃料电池通过氧气和氢气反应以产生电、水、热。其中产生的水用于水合燃料电池的膜,其他多余的水应进行排出。然而,在零度或冷冻环境温度下或在燃料电池车辆的冷启动期间,先前操作中保留在膜中的残余水变成冰,从而阻塞燃料的阴极催化剂层中的孔。膜中的冰积聚阻止氧气流向阴极催化剂而使得燃料电池车辆在冷启动期间阴极催化剂层不活跃。若此时通入更多的氢气和氧气进行反应,可能会造成水产生得更多,由于热量通过冷却回路被吹走,会造成越来越多的水在阴极催化剂层凝聚成冰,最终导致燃料电池系统的总功率损失,车辆没有启动。

图2-8 燃料电池系统

基于上述问题,该专利提供了一种在水冷冻条件下减少燃料电池组启动期间积冰的方法,具体为,在燃料电池堆(FCS)启动期间,基于燃料电池堆的MEA的水溶性限制从燃料电池堆汲取的电力,以及一个温度计。限制所汲取的功率包括限制电流密度,并且其中功率限制包括基于提高燃料电池堆的入口温度的时间来限制从燃料电池堆汲取的电功率。以这种方式,可以将膜中的总水量(包括剩余的水和产生的水)控制在燃料电池堆的耐冰曲线内。通过从FCS获得有限的功率,其中可以基于感测的温度和水量估计在启动期间实时确定限制,可以操作FCS,同时减少由于冰形成而导致的间歇性功率损失。此外,冷却剂泵可以在冷启动期间操作以使更高流速的加热冷却剂返回,从而更快地将热量重新引回到燃料电池堆中并且减少电流限制的时间段。

日产此篇专利的发明点是通过限制从燃料电池堆汲取电力,来提高燃料电池堆入口温度,独立权利要求仅对该方法的原理进行限定了,其保护范围较大,如有采用类似技术来实现燃料电池车辆的冷启动应特别注意,防止落入其保护范围内。同时该专利进行PCT申请,不排除其日后有进入其他国家的可能。

2.3 现代公司

图2-9 现代公司4月公开专利技术构成

2019年4月现代公司在燃料电池领域一共公开了31篇专利,专利所涉及到的技术主要包括控制系统、热管理、电堆、整车等。作为韩系汽车的代表品牌,现代在燃料电池领域也有一定的建树,其专利技术覆盖技术分支较多。下面对本月现代公开的部分代表专利进行介绍、分析。

(1)储氢相关——吸收储氢罐膨胀结构

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分析:

燃料电池车辆可由氢-氧之间的化学反应产生的电力来进行驱动,氢燃料气体须通过储氢罐(700bar)进行储存。为了使储氢罐加满氢气,通常安装并固定几个通气孔在其外部,由于储氢罐进行刚性固定,使得储氢罐的膨胀不能被吸收。在加满氢气后(罐内高压),由于氢的特性,储氢罐会发生膨胀,如未能对其吸收,则应力施加到罐,如果储氢罐上应力积聚,可能会导致其爆炸。

图2-10 储氢罐结构及弹性构件

基于此,该专利提供了一种储氢罐,其外周表面上设置有带状构件,并且,在储氢罐和带状构件之间插入弹性构件,其中两个带状构件设置成围绕储氢罐的宽度方向,带状构件彼此平行安装,其中弹性件由螺旋弹簧组成,螺旋弹簧的上下表面在储氢罐和带状构件之间被压缩。

此专利的发明点为通过在储氢罐与带状构件设置弹性构件,使施加在储氢罐膨胀上的力被弹性构件吸收,可确保氢气罐的安全性并提高其耐久性。独立权利要求仅对弹性件的类型进行了限定,“弹性件由螺旋弹簧组成”,并没有对螺旋弹簧的具体形式进行限定,因此在采用类似技术实现吸收储氢罐膨胀时,应小心落入其专利的保护范围。

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