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燃料电池领域全球专利监控报告(2019年6月)

各位读者大家好,每月一期的燃料电池领域全球专利监控报告又和大家见面啦。本期监控报告的内容主要包括三个部分,分别为:

1、2019年6月燃料电池领域公开专利整体情况介绍;

2、国内申请人专利公开情况介绍;

3、部分申请人介绍及其公开专利分析,主要涉及双极板/隔板相关专利的分析;

1 整体情况介绍

1.1 专利公开国家情况

2019年6月,燃料电池领域在全球范围内公开/授权的专利1272项专利族。其中发明申请公开798件(较上月增加50余件),发明授权346件。具体公开的国家/地区以及数量情况如图1-1所示。

图1-1 各国燃料电池6月公开/授权专利情况

由上图可见,2019年6月燃料电池领域,中国公开的专利数量最多,其次是日本、美国、韩国等重视燃料电池技术的国家。其中中国公开专利中,发明申请数量较大,其数量远大于发明授权和实用新型授权,说明在燃料电池领域申请人在中国的专利申请积极性较高,专利申请数量增长趋势明显。

1.2 专利技术分类情况

将燃料电池相关专利按照整车、动力系统(燃料电池集成系统)、电堆、空气循环系统、氢气循环系统、热管理系统、控制系统、储氢相关(储氢瓶、储氢材料等)、(废气、水)排放回收等11个类别进行分类,不属于上述类别的专利申请划分至其他。从技术分布上看,与电堆相关的专利申请数量最多,达到了650项。电堆作为燃料电池的核心,除了涉及双极板、膜电极等组件,还包含电堆相关组件的制造设备,电堆的密封、绝缘等。

图1-2燃料电池6月公开/授权专利的技术分布

同时,燃料电池系统控制、检测方面的公开专利也较多,包括燃料电池喷射阀控制、功率控制、湿度检测、供电时间估计等,此技术分支下的申请人主要集中在丰田、日产、现代等整车厂。

1.3 申请人专利申请情况

将专利申请人经过标准化处理后,对标准化申请人的专利申请量进行统计,如图1-3所示。从申请人来看,专利公开数量排名前10位的公司中,外国公司占据多席,且多为整车厂。其中,丰田公司公开和授权的专利数量最多,达到了108件,其中发明申请公开89件,发明授权公开18件。现代公司与日产公司均排在丰田之后,专利公开数量分别为51件和47件;从近三月的公开数据来看,日韩整车厂的专利公开量一直位于申请人排名前列,同时有一定数量的发明专利被授权,可见在燃料电池领域,日韩整车厂整体技术实力更为领先。此外,LG、大众、日本碍子、松下、东芝以及博世等外国公司的专利公开量均在10件以上。

图1-3 标准化申请人6月公开/授权专利排名

中国申请人方面,中国科学院大连化学物理研究所专利公开数量最高,其排名为第2;大连化物所的专利公开类型主要为发明专利申请,其技术主要涉及双极板、催化剂、质子交换膜、密封剂等,并在固体高温燃料电池上有较多的技术改进。以西安交通大学、清华大学代表的国内高校,持续在燃料电池领域进行技术研发,专利公开数量较多。此外,郑州宇通客车在2019年6月公开了12件专利,包括一件发明授权专利和实用新型授权专利,分别涉及空气过滤装置活性再生控制方法与装置、车载燃料电池散热系统。

2 国内申请人专利公开情况

目前国内燃料电池企业处于百家争鸣的态势,虽然目前还没有出现一家独大的情况,但是从专利申请情况可以对其技术研发情况做一个初步的了解。

本报告按照整车厂、燃料电池企业、科研院所对燃料电池相关机构进行初步分类,并选取了部分机构统计其在2019年6月的专利公开情况。

2.1 整车厂6月专利公开情况

整车厂在6月的专利公开情况如图2-1所示。可以看到国内几个主流整车厂均涉足燃料电池领域,其专利申请所涉及的技术分支包括电堆、储氢、加氢等。本月,整车厂中郑州宇通客车的专利公开数量最多。据资料显示,宇通客车2009年开发了第一款燃料电池客车,是国内首家通过燃料电池商用车资质认证的企业,取得了国内燃料电池客车正式的公告,建成了中原地区加氢站,获批客车行业燃料电池与氢能中心。宇通客车现已经开发了三代燃料电池客车产品,正在开发第四代。

另一方面,中国一汽在6月共公开了7件专利,主要涉及乘用车的燃料电池发动机结构、氢气泄漏位置判断、喷氢阀控制等;此外,武汉泰歌、吉利汽车、格罗夫、北汽、中国重汽、小蓝新能源汽车等均有一定数量的专利公开。

图2-1 整车厂6月公开专利情况

2.2 燃料电池企业6月专利公开情况

国内燃料电池企业在6月的专利公开情况如图2-2所示。其中明天氢能共公开了10件专利,主要涉及电堆方面。其次是芬华氢能研究院江苏有限公司与中氢新能分别公开了9件与5件专利,其他在6月公开了相关专利的企业包括大洋电机、广东索特能源、江苏氢电、锋源氢能、索弗克等。

图2-2 燃料电池企业6月的专利公开情况

2.3 科研院所(校)6月专利公开情况

燃料电池相关科研院所(校)在6月的专利公开情况如图2-3所示。除了上述提及大连化物所、西安交通大学、清华大学外,六月公开专利的科研院所(校)还包括哈尔滨工程大学、华南理工大学、天津大学、上海交通大学等,其中大连理工大学有两篇发明授权专利,分别涉及高可靠性燃料电池堆封装设计方法和改善燃料电池堆内压力分布的结构。

图2-3燃料电池相关科研院所(校)6月的专利公开情况

3 部分申请人及公开专利介绍

本报告第3节将重点分析与双极板/隔板相关的专利,并对涉及到的主要申请人的专利技术分布情况进行简要介绍。

3.1 丰田公司

图3-1 丰田公司6月公开专利技术构成

2019年6月,丰田公司在燃料电池领域共公开专利108件,主要涉及电堆、系统控制、系统检测、动力系统等技术分支。从技术分支上可以看出,丰田在燃料电池领域的上、中、下游都有一定的专利布局。

下文分析的丰田公司双极板/隔板相关专利的公开号为:CN109962256A、CN109950567A、EP3503251A1、US10316422B2、CN109943846A。

3.1.1CN109962256A&CN109950567A-防止基板金属被溶出,提高耐蚀性

燃料电池膜电极中存在氟化物离子,当使用金属双极板/隔板时,氟化物离子可以将金属双极板/隔板基体材料中的金属溶出,生成Fe2+,从而引发芬顿反应而生成过氧化氢。过氧化氢中的羟基自由基会攻击膜电极,使得燃料电池发电性能和寿命下降,而固体电解质膜(包含氟基电解质树脂)被自由基攻击发生分解时,会进一步产生更多的氟化物离子,从而加剧燃料电池腐蚀问题。

通常燃料电池用金属双极板/隔板可利用金属氧化物(如氧化锡)作为保护膜抑制铬向正极扩散,来避免燃料电池的发电性能受到影响,然而氧化锡保护膜并不能阻止氟化物离子进入金属双极板/隔板。一方面是由于氟化物离子可以透过氧化锡保护膜进入金属双极板/隔板基体,另一方面氟化物离子还可以通过氧化锡保护膜的缺陷或裂缝直接与金属双极板/隔板基体接触,从而导致金属离子溶出。

为解决上述问题,丰田通过两个技术手段来改善金属双极板/隔板的耐腐蚀性:一是在氧化锡保护膜中增加锆元素来吸附氟化物离子(CN109962256A);二是在氧化锡保护膜的缺陷处覆上导电性高分子膜,从而减少金属双极板/隔板基体溶出,提高金属双极板/隔板的耐腐蚀性(CN109950567A)。具体信息见下文。

CN109962256A公开了一种燃料电池用隔板,其具有低接触电阻,且在存在氟化物离子等高腐蚀环境下具备优异的耐腐蚀性能。具体为:该隔板包括金属基材(钛或者不锈钢等),金属基材表面覆有氧化锡膜(膜厚优选为10nm-300nm),氧化锡覆膜包括锆元素(锆具有吸附氟化物离子的性质,能够抑制氟化物离子透过氧化锡覆膜),锆相对于锡的元素比(Zr/Sn)为0.10~0.70(注:根据CN109962256A说明书内容,元素比实际为原子比),氧化锡的锆原子掺杂比在3.0%~16.0%。

图3-2 燃料电池用隔板的表面附近的放大截面图

如上图所示,氧化锡覆膜设置于金属基材表面的至少一部分上即可,但是由于在气体扩散层与隔板的接触部分特别要求耐蚀性,因而需要在金属基材的表面之中至少在与气体扩散层接触的部分上形成氧化锡覆膜。关于元素比(Zr/Sn),从耐蚀性和接触电阻等方面进行考虑,优选为0.40- 0.50。

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