三、部分申請人及公開專利介紹

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)等技術分支。

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

3．1．1 US20200203739A1——燃料電池系統(tǒng)

隨著燃料電池運行時間增加，催化劑表面會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)生還原反應的電壓值來恢復催化劑性能，并且在該領域申請了大量專利。本專利主要是通過設計催化劑恢復過程中的工作點來降低催化劑恢復過程中的電能消耗和發(fā)熱。

通常而言，執(zhí)行催化劑恢復過程如圖3－1所示，圖中E0為電堆理論電動勢，D1－D4分別為不同工況IV曲線的工作點，其中D1為電堆處于空閑運轉狀態(tài)下的工作點，其功率滿足電堆運行時各種輔助設備的功率消耗。當執(zhí)行催化劑恢復操作時，電堆工作點沿著D1－D2－D3－D4依次改變，D4對應的電壓值α即為執(zhí)行催化劑恢復的電壓值。從電堆運行原理可以看到，在D1－D4各個工作狀態(tài)下，電堆輸出功率逐漸減�。▍⒖枷聢D左側不同工作點對應的功率示意圖，其中淺色斜線區(qū)域為電堆輸出功率H1），而電堆發(fā)熱值則持續(xù)增加（參見不同工作點對應的功率示意圖，其中深色斜線區(qū)域為電堆發(fā)熱功率H2），因此在整個催化劑恢復過程中，電堆持續(xù)進行發(fā)電和發(fā)熱。

圖3－1 現(xiàn)有技術中執(zhí)行催化劑恢復過程示意圖

為了避免上述問題，降低催化劑恢復過程中電堆的發(fā)電和發(fā)熱量，豐田對工作點移動方式進行了優(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（陰極氣體擴散至陽極側），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。當電堆開路電壓降低至C4曲線的開路電壓E4時，電堆開始恢復發(fā)電，從工作點E4過渡至D4，從而實現(xiàn)催化劑恢復操作。通過上述改進，豐田公司極大的降低了執(zhí)行催化劑恢復過程中的電堆發(fā)熱，這樣即使燃料電池汽車沒有處于行駛狀態(tài)，也不需要擔心沒有足夠的冷卻風對電堆散熱系統(tǒng)進行冷卻。

圖3－2 改進后的電堆催化劑恢復操作過程

3．1．2 JP2020087773——燃料電池氣體吹掃方法

當燃料電池停止發(fā)電后，即使停止向電堆供應燃料氣體和空氣，電堆中殘存的燃料氣體和空氣也會緩慢的進行發(fā)電，直至燃料氣體消耗完畢。在這個過程中，容易產(chǎn)生較高的輸出電壓而導致催化劑劣化并影響燃料電池的使用壽命�，F(xiàn)有技術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行吹掃的基礎上，加大了惰性氣體的壓力，通過施加大于電堆空氣側壓力的惰性氣體（如氮氣、氦氣和氬氣）對燃料氣體通道進行吹掃。由于燃料氣體側的壓力大于氧化劑側通道的壓力，殘存在陽極側電極催化劑層內部的氫離子有效地向電解質膜側移動。由此促進了殘留在陽極側電極催化劑層內的氫離子滲透到電解質膜中并與殘留在陰極側電極催化劑層內的氧反應而被消耗。

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)等技術分支。

下文分析的現(xiàn)代公司燃料電池相關專利的專利公開號為CN111313058A、US20200185734A1。其中，CN111313058A涉及燃料電池系統(tǒng)氫供應控制方法、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)的氫供應控制方法和系統(tǒng)

在燃料電池系統(tǒng)中，氫氣供應系統(tǒng)如3－3圖所示，從儲氫罐中供應的氫氣和陽極中未反應的氫氣通過噴射器再次供應到電堆陽極中，而燃料電池系統(tǒng)運行時需要通過壓力傳感器測量氫氣壓力進而確定氫氣的使用量。此時噴射器后端的空間內處于濕度較高的狀態(tài)，對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置氫氣壓力傳感器，而是在氫供應閥和噴射器之間設置壓力傳感器20，利用前端的壓力傳感器來測量噴射器后端的壓力。具體測量方式如下：壓力傳感器20可以測量氫供應閥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。當氫供應閥10打開時，由壓力傳感器20測量的壓力值P2與陽極的壓力值P3不相同。然而，當氫供應閥10關閉時，由壓力傳感器20測量的壓力值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的測量值P2之間的關系。通常，當氫供應閥10打開時，儲存在壓力容器中的高壓氫氣可被供應到噴射器30側，并且氫氣可以通過噴射器30的噴嘴噴射到陽極。此時壓力傳感器20不能測量噴射器后端的壓力P3。

而當氫供應閥10處于關閉狀態(tài)，即氫供應閥中的柱塞向下移動時，氫供應閥10可以關閉，并停止供氫。經(jīng)過一段時間后，氫供應閥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來估計電堆陽極的壓力P3，而不需要對壓力傳感器進行特殊設計，以適應陽極高濕度環(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

燃料電池在運行過程中，如果輸出電壓過高會引起催化劑劣化，甚至導致電堆發(fā)生故障。因此在燃料電池系統(tǒng)中，會基于燃料電池電堆的特性設置一個參考電壓，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)中設置了可變的參考電壓，基于電堆的運行狀態(tài)實時調整參考電壓值，以保證不同情況下電堆的輸出電壓都不會引起催化劑劣化，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)生的最大電流值進行評估，參見下圖，當燃料電池剛開始投入使用時，電堆性能為曲線“A”，隨著燃料電池的使用時間增加，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。當電堆性能發(fā)生明顯變化時，則參考電壓也要隨之變化。例如電堆剛開始使用時，參考電壓為V0，隨著燃料電池的使用時間增加，電堆性能下降，則其參考電壓可以調整為V1，甚至V2。通過這樣的改進，可以基于電堆的性能參數(shù)設置合理的參考電壓，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域共公開專利11件，主要涉及電堆、熱管理等技術分支。

下文分析的智能能源公司燃料電池相關專利的專利公開號為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)

燃料電池在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此需要高效的散熱系統(tǒng)將熱量排出。在風冷型電堆中，尤其是開放陰極電堆，空氣同時作為冷卻劑和氧化劑。然而，當環(huán)境溫度較低時，電堆會發(fā)生凍結，此時希望能夠調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)進入電堆，但是這種方案會增加管路從而導致電堆體積變大，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節(jié)陰極廢氣排除和留存的比例。如下圖所示，通風系統(tǒng)1包括百葉窗板2、風扇容納箱3和空氣過濾器箱4。百葉窗板2具有數(shù)個百葉窗5，調整百葉窗5的角度或位置可以改變通過面板2的空氣流。

圖3－6 通風系統(tǒng)結構示意圖

百葉窗板具體結構如下圖所示，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，且可以沿一側軸開閉，同樣的百葉窗5c和5d布局于隔板22c兩側，分別沿各自一側軸旋轉開閉。當百葉窗調節(jié)至水平位置時，系統(tǒng)處于完全非再循環(huán)方式，風扇吸入冷卻空氣經(jīng)過電堆并通過百葉窗完全排出，此時冷卻效果最好。當百葉窗調節(jié)至垂直位置時，即處于完全再循環(huán)狀態(tài)，上下兩側的風扇分別設置為不同的旋轉方向，這樣進入冷卻空氣經(jīng)過電堆升溫后，經(jīng)過充氣室51又再次循環(huán)進入電堆，此時可以實現(xiàn)最小的冷卻效果，保證電堆盡快升溫。當百葉窗位置處于傾斜位置時，即處于部分再循環(huán)方式，此時風扇吸入冷卻空氣部分的再次進入電堆，由此降低電堆冷卻效果，通過調節(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 百葉窗結構示意圖

圖3－8百葉窗設置與循環(huán)方式示意圖

3．4 國內整車廠燃料電池相關專利一覽