三、部分申請(qǐng)人及公開專利介紹

3．1 豐田公司

2020年6月，豐田公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利75件，主要涉及系統(tǒng)控制、電堆、整車、氫系統(tǒng)等技術(shù)分支。

下文分析的豐田公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號(hào)為US20200203739A1、JP2020087773A。其中，US20200203739A1涉及降低執(zhí)行催化劑性能恢復(fù)過程中的電能消耗和發(fā)熱、JP2020087773A涉及燃料電池停機(jī)后的氣體吹掃。

3．1．1 US20200203739A1——燃料電池系統(tǒng)

隨著燃料電池運(yùn)行時(shí)間增加，催化劑表面會(huì)附著有毒物或者氧化膜，影響燃料電池發(fā)電效率。豐田公司通過使燃料電池的電壓降低到催化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電壓值來恢復(fù)催化劑性能，并且在該領(lǐng)域申請(qǐng)了大量專利。本專利主要是通過設(shè)計(jì)催化劑恢復(fù)過程中的工作點(diǎn)來降低催化劑恢復(fù)過程中的電能消耗和發(fā)熱。

通常而言，執(zhí)行催化劑恢復(fù)過程如圖3－1所示，圖中E0為電堆理論電動(dòng)勢(shì)，D1－D4分別為不同工況IV曲線的工作點(diǎn)，其中D1為電堆處于空閑運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作點(diǎn)，其功率滿足電堆運(yùn)行時(shí)各種輔助設(shè)備的功率消耗。當(dāng)執(zhí)行催化劑恢復(fù)操作時(shí)，電堆工作點(diǎn)沿著D1－D2－D3－D4依次改變，D4對(duì)應(yīng)的電壓值α即為執(zhí)行催化劑恢復(fù)的電壓值。從電堆運(yùn)行原理可以看到，在D1－D4各個(gè)工作狀態(tài)下，電堆輸出功率逐漸減�。▍⒖枷聢D左側(cè)不同工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率示意圖，其中淺色斜線區(qū)域?yàn)殡姸演敵龉β蔋1），而電堆發(fā)熱值則持續(xù)增加（參見不同工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率示意圖，其中深色斜線區(qū)域?yàn)殡姸寻l(fā)熱功率H2），因此在整個(gè)催化劑恢復(fù)過程中，電堆持續(xù)進(jìn)行發(fā)電和發(fā)熱。

圖3－1 現(xiàn)有技術(shù)中執(zhí)行催化劑恢復(fù)過程示意圖

為了避免上述問題，降低催化劑恢復(fù)過程中電堆的發(fā)電和發(fā)熱量，豐田對(duì)工作點(diǎn)移動(dòng)方式進(jìn)行了優(yōu)化，參見圖3－2。豐田公司先讓電堆處于暫停發(fā)電狀態(tài)（即圖3－2中E1位置），然后減少陰極氣體的流量，而由于電堆交叉泄露效應(yīng)（陰極氣體擴(kuò)散至陽極側(cè)），電堆的開路電壓持續(xù)下降，即沿著E1－E2－E3－E4變化。而由于此時(shí)電堆停止發(fā)電，因此不存在發(fā)電功率和發(fā)熱功率消耗。當(dāng)電堆開路電壓降低至C4曲線的開路電壓E4時(shí)，電堆開始恢復(fù)發(fā)電，從工作點(diǎn)E4過渡至D4，從而實(shí)現(xiàn)催化劑恢復(fù)操作。通過上述改進(jìn)，豐田公司極大的降低了執(zhí)行催化劑恢復(fù)過程中的電堆發(fā)熱，這樣即使燃料電池汽車沒有處于行駛狀態(tài)，也不需要擔(dān)心沒有足夠的冷卻風(fēng)對(duì)電堆散熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

圖3－2 改進(jìn)后的電堆催化劑恢復(fù)操作過程

3．1．2 JP2020087773——燃料電池氣體吹掃方法

當(dāng)燃料電池停止發(fā)電后，即使停止向電堆供應(yīng)燃料氣體和空氣，電堆中殘存的燃料氣體和空氣也會(huì)緩慢的進(jìn)行發(fā)電，直至燃料氣體消耗完畢。在這個(gè)過程中，容易產(chǎn)生較高的輸出電壓而導(dǎo)致催化劑劣化并影響燃料電池的使用壽命。現(xiàn)有技術(shù)中使用空氣或者惰性氣體吹掃的方式來快速清除燃料氣體，但是依然存在吹掃不徹底的問題。

為了解決上述問題，豐田公司在使用惰性氣體進(jìn)行吹掃的基礎(chǔ)上，加大了惰性氣體的壓力，通過施加大于電堆空氣側(cè)壓力的惰性氣體（如氮?dú)�、氦氣和氬氣）�?duì)燃料氣體通道進(jìn)行吹掃。由于燃料氣體側(cè)的壓力大于氧化劑側(cè)通道的壓力，殘存在陽極側(cè)電極催化劑層內(nèi)部的氫離子有效地向電解質(zhì)膜側(cè)移動(dòng)。由此促進(jìn)了殘留在陽極側(cè)電極催化劑層內(nèi)的氫離子滲透到電解質(zhì)膜中并與殘留在陰極側(cè)電極催化劑層內(nèi)的氧反應(yīng)而被消耗。

3．2 現(xiàn)代公司

2020年6月，現(xiàn)代公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利52件，主要涉及電堆、系統(tǒng)控制、空氣系統(tǒng)等技術(shù)分支。

下文分析的現(xiàn)代公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號(hào)為CN111313058A、US20200185734A1。其中，CN111313058A涉及燃料電池系統(tǒng)氫供應(yīng)控制方法、US20200185734A1涉及通過優(yōu)化電堆電壓控制方法以減小催化劑劣化的速度。

3．2．1 CN111313058A——燃料電池系統(tǒng)的氫供應(yīng)控制方法和系統(tǒng)

在燃料電池系統(tǒng)中，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)如3－3圖所示，從儲(chǔ)氫罐中供應(yīng)的氫氣和陽極中未反應(yīng)的氫氣通過噴射器再次供應(yīng)到電堆陽極中，而燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要通過壓力傳感器測(cè)量氫氣壓力進(jìn)而確定氫氣的使用量。此時(shí)噴射器后端的空間內(nèi)處于濕度較高的狀態(tài)，對(duì)于壓力傳感器的制造帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圖3－3 燃料電池氫氣供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

為了避免上述問題，現(xiàn)代公司沒有在噴射器后端直接設(shè)置氫氣壓力傳感器，而是在氫供應(yīng)閥和噴射器之間設(shè)置壓力傳感器20，利用前端的壓力傳感器來測(cè)量噴射器后端的壓力。具體測(cè)量方式如下：壓力傳感器20可以測(cè)量氫供應(yīng)閥10和噴射器30之間的壓力P2，而噴射器30的后端的壓力等于電堆陽極的壓力P3。當(dāng)氫供應(yīng)閥10打開時(shí)，由壓力傳感器20測(cè)量的壓力值P2與陽極的壓力值P3不相同。然而，當(dāng)氫供應(yīng)閥10關(guān)閉時(shí)，由壓力傳感器20測(cè)量的壓力值P等于陽極的壓力值P3。

參考圖3－4可以更清楚地理解陽極的壓力P3與噴射器30的噴嘴的前端上的壓力傳感器20的測(cè)量值P2之間的關(guān)系。通常，當(dāng)氫供應(yīng)閥10打開時(shí)，儲(chǔ)存在壓力容器中的高壓氫氣可被供應(yīng)到噴射器30側(cè)，并且氫氣可以通過噴射器30的噴嘴噴射到陽極。此時(shí)壓力傳感器20不能測(cè)量噴射器后端的壓力P3。

而當(dāng)氫供應(yīng)閥10處于關(guān)閉狀態(tài)，即氫供應(yīng)閥中的柱塞向下移動(dòng)時(shí)，氫供應(yīng)閥10可以關(guān)閉，并停止供氫。經(jīng)過一段時(shí)間后，氫供應(yīng)閥10的后端和噴射器30的噴嘴的前端的壓力P2，變得等于噴射器30的噴嘴的后端的壓力，即陽極的壓力P3。由此可以通過壓力傳感器20來估計(jì)電堆陽極的壓力P3，而不需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以適應(yīng)陽極高濕度環(huán)境。

圖3－4 噴射器的噴嘴的前端和后端的壓力狀態(tài)示意圖

3．2．2 US20200185734A1——燃料電池堆的電壓控制方法

燃料電池在運(yùn)行過程中，如果輸出電壓過高會(huì)引起催化劑劣化，甚至導(dǎo)致電堆發(fā)生故障。因此在燃料電池系統(tǒng)中，會(huì)基于燃料電池電堆的特性設(shè)置一個(gè)參考電壓，控制電堆的輸出電壓小于參考電壓，以保障電堆的使用壽命。然而，隨著燃料電池系統(tǒng)的使用，電堆的性能在發(fā)生改變，一直使用同一個(gè)參考電壓可能難以起到防止催化劑劣化的作用。

基于上述問題，現(xiàn)代公司在燃料電池控制系統(tǒng)中設(shè)置了可變的參考電壓，基于電堆的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整參考電壓值，以保證不同情況下電堆的輸出電壓都不會(huì)引起催化劑劣化，從而保證了電堆的使用壽命。電堆的性能可以基于電堆能夠產(chǎn)生的最大電流值進(jìn)行評(píng)估，參見下圖，當(dāng)燃料電池剛開始投入使用時(shí)，電堆性能為曲線“A”，隨著燃料電池的使用時(shí)間增加，其性能曲線逐漸變化為曲線“B”和曲線“C”，從圖中可以明顯看到，相同的參考電壓在不同曲線上會(huì)產(chǎn)生不同的電流，因此也可以指示電堆性能的變化情況。當(dāng)電堆性能發(fā)生明顯變化時(shí)，則參考電壓也要隨之變化。例如電堆剛開始使用時(shí)，參考電壓為V0，隨著燃料電池的使用時(shí)間增加，電堆性能下降，則其參考電壓可以調(diào)整為V1，甚至V2。通過這樣的改進(jìn)，可以基于電堆的性能參數(shù)設(shè)置合理的參考電壓，由此也可以提高電堆的使用壽命，減小催化劑劣化的速度。

圖3－5 電堆性能曲線示意圖

3．3 智能能源（Intelligent Energy）

2020年6月，智能能源公司在燃料電池領(lǐng)域共公開專利11件，主要涉及電堆、熱管理等技術(shù)分支。

下文分析的智能能源公司燃料電池相關(guān)專利的專利公開號(hào)為EP2865036B1。EP2865036B1主要涉及燃料電池冷卻系統(tǒng)。

3．3．1 EP2865036B1——燃料電池冷卻系統(tǒng)

燃料電池在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要高效的散熱系統(tǒng)將熱量排出。在風(fēng)冷型電堆中，尤其是開放陰極電堆，空氣同時(shí)作為冷卻劑和氧化劑。然而，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，電堆會(huì)發(fā)生凍結(jié)，此時(shí)希望能夠調(diào)整冷卻空氣的冷卻效率，促使電堆盡快升溫至最佳工作溫度�，F(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)做法是將陰極廢氣中的全部或者一部分再次循環(huán)進(jìn)入電堆，但是這種方案會(huì)增加管路從而導(dǎo)致電堆體積變大，此外冷熱空氣混合后很容易產(chǎn)生凝露或冷凝水。

本方案是采用了百葉窗的角度來調(diào)節(jié)陰極廢氣排除和留存的比例。如下圖所示，通風(fēng)系統(tǒng)1包括百葉窗板2、風(fēng)扇容納箱3和空氣過濾器箱4。百葉窗板2具有數(shù)個(gè)百葉窗5，調(diào)整百葉窗5的角度或位置可以改變通過面板2的空氣流。

圖3－6 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

百葉窗板具體結(jié)構(gòu)如下圖所示，其包括隔板22a、22b、22c以及百葉窗5a、5b、5c、5d，其中百葉窗5a和5b布局于隔板22a兩側(cè)，且可以沿一側(cè)軸開閉，同樣的百葉窗5c和5d布局于隔板22c兩側(cè)，分別沿各自一側(cè)軸旋轉(zhuǎn)開閉。當(dāng)百葉窗調(diào)節(jié)至水平位置時(shí)，系統(tǒng)處于完全非再循環(huán)方式，風(fēng)扇吸入冷卻空氣經(jīng)過電堆并通過百葉窗完全排出，此時(shí)冷卻效果最好。當(dāng)百葉窗調(diào)節(jié)至垂直位置時(shí)，即處于完全再循環(huán)狀態(tài)，上下兩側(cè)的風(fēng)扇分別設(shè)置為不同的旋轉(zhuǎn)方向，這樣進(jìn)入冷卻空氣經(jīng)過電堆升溫后，經(jīng)過充氣室51又再次循環(huán)進(jìn)入電堆，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最小的冷卻效果，保證電堆盡快升溫。當(dāng)百葉窗位置處于傾斜位置時(shí)，即處于部分再循環(huán)方式，此時(shí)風(fēng)扇吸入冷卻空氣部分的再次進(jìn)入電堆，由此降低電堆冷卻效果，通過調(diào)節(jié)百葉窗的傾斜角度，可以控制冷卻效果削弱的程度。

圖3－7 百葉窗結(jié)構(gòu)示意圖

圖3－8百葉窗設(shè)置與循環(huán)方式示意圖

3．4 國(guó)內(nèi)整車廠燃料電池相關(guān)專利一覽