基于專利分析的氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)研究

劉蘭 王軍雷

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：燃料電池 電堆結(jié)構(gòu) 專利分析

1 引言

氫能具有清潔、高效等諸多優(yōu)點，受到世界各國的高度關(guān)注。在碳達峰、碳中和的時代要求下，氫能無疑是實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標的重要途徑和實現(xiàn)我國綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要支撐。燃料電池又稱為電化學轉(zhuǎn)化器，是1種通過電化學反應的方式直接將氫（燃料）的化學能轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)換裝置，是氫能的主要利用方式。燃料電池汽車是燃料電池應用的1 個重要方向。在氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，燃料電池系統(tǒng)作為最核心的環(huán)節(jié)，包括電堆、供氫系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)等部件。

氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)是指將多個串聯(lián)的氫燃料電池單體、集流板和絕緣板等零部件封裝在一起形成的結(jié)構(gòu)，其中每個電池單體都由雙極板、膜電極以及密封件組成，雙極板上會加工有氣體通道和冷卻液通道，用于反應氣體的傳輸和電堆的冷卻散熱。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導流均勻分配至膜電極，通過膜電極GDL與催化劑接觸進行電化學反應。

目前看來，國外乘用車廠大多自行開發(fā)燃料電池電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現(xiàn)代等；也有少數(shù)采用合作伙伴的電堆來開發(fā)發(fā)動機的乘用車企業(yè)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開發(fā)的電堆）和奔馳（采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆）。乘用車因空間限制，目前只能采用金屬雙極板電堆的技術(shù)方案。而國內(nèi)能夠獨立自主開發(fā)電堆并經(jīng)過多年實際應用考驗的只有上海神力科技有限公司和大連新源動力股份有限公司2家企業(yè)。

2 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請趨勢分析

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心有限公司自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球104 個國家6 387 萬余條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利。專利選取范圍以公開日為入口，自2000年1月1日起，截至2021年8月31日。

截至2021年8月31日，氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)相關(guān)專利申請量在全球為8 365 件，其中在中國申請1 568件，中國專利占比18.5%。

對氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)的專利進行專利申請趨勢分析，如圖1所示。燃料電池電堆結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的全球?qū)＠纳暾埩繌?000年至今基本呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在2007年之前基本處于逐漸增加的趨勢，2007年申請量最大，然后申請量緩慢下降，但在2010年和2013年申請量出現(xiàn)了較小的峰值。中國氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專利申請量在2016年之前的變化趨勢與全球趨勢類似，也是隨年份逐漸增加然后緩慢下降，但在2016年之后，申請量有所上升，基本處于在1 個基準線（120 件左右）上下波動的狀態(tài)，申請量較為穩(wěn)定、變化不大。由此可推測出，在2016年之前，中國與全球的申請保持較為同步的狀態(tài)，但在2016年之后，中國地區(qū)的申請量受全球申請量的影響較小，說明全球申請人仍然十分重視在中國的專利布局。

圖1 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利年度申請情況

3 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請地域分布

從圖2 中可以看出，日本是氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請量最多的國家，申請量達到1 698件，其次是中國和美國，申請量分別為1 549 件和1 045 件。這反映出日本在氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)方面發(fā)展良好，具有較多的技術(shù)儲備，綜合申請人的分布情況來看，日本本土企業(yè)的申請量也占有較大優(yōu)勢，說明日本在氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)方面的發(fā)展勢頭迅猛，遠超其他國家，且在日本的專利布局也較多。中國地區(qū)專利申請量雖然相對較少，但仍在1 500件以上，與日本的差距并不太大，即便是同族合并后，中國地區(qū)申請量與日本的差距仍然較小，說明在電堆結(jié)構(gòu)方面，中國也同樣具有較高的優(yōu)勢，申請人非常重視在中國的專利布局，中國在該領(lǐng)域仍然具有較大的發(fā)展空間。

圖2 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)各地域?qū)＠暾埱闆r

4 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請人分析

4.1 全球申請人分布情況和種類情況

如圖3 所示，氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)的申請人中，排名前5位的分別是豐田、本田、日產(chǎn)、松下、智慧能量，此外還有NGK、京瓷、三洋等公司排名在前20位?？梢娙毡酒髽I(yè)在該領(lǐng)域占據(jù)很大優(yōu)勢，專利布局量較大，并且申請人涉及整車企業(yè)和零部件科技企業(yè)。

圖3 全球氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)申請人分布

全球申請量排名前20位的申請人中，僅上海神力科技有限公司1 家是中國企業(yè)，排名第16 位，這說明國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)積累度還不夠高，國內(nèi)企業(yè)應積極借鑒其他重點企業(yè)的技術(shù)，增加研發(fā)投入，加大該領(lǐng)域的專利布局。

4.2 中國地區(qū)申請人分布情況和種類情況

如圖4所示，在中國地區(qū)申請人中，日本企業(yè)布局最多，包括豐田、本田、松下、日產(chǎn)、三洋、京瓷、日本特殊陶業(yè)，其中專利申請量排名前5 位的有3 位為日本企業(yè)。

圖4 中國地區(qū)氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)申請人分布

中國本土企業(yè)或科研院所中，上海神力科技有限公司、新源動力股份有限公司、武漢眾宇動力系統(tǒng)有限公司、勝光科技有限公司和中國科學院大連化學物理研究所的專利申請量較多?？梢钥闯?，國內(nèi)企業(yè)和科研院所較為重視該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和專利布局，有一定的技術(shù)積累，然而，國內(nèi)企業(yè)和科研院所的專利申請量相對于日本企業(yè)來說少很多，說明其技術(shù)積累與日本企業(yè)之間還存在較大的差距。

5 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)明人分析

對氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)全球?qū)＠暾埌l(fā)明人分布情況進行分析，如表1所示。全球排名前10的發(fā)明人中絕大多數(shù)隸屬于本田公司，少數(shù)隸屬于松下公司，沒有中國發(fā)明人，排名第1 的發(fā)明人為SUGIURA SEIJI，隸屬于本田公司，自2000年開始一直為本田公司進行氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請。

表1 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)全球?qū)＠暾埌l(fā)明人分布

排名第2 的發(fā)明人為KUSAKABE HIROKI，隸屬于松下公司，自2000年開始一直致力于氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究。排名第3 和第10 的發(fā)明人也都隸屬于松下公司，且與排名第2的發(fā)明人有大量專利是作為共同發(fā)明人的，說明這3位發(fā)明人有極大概率屬于同一研究團隊。

排名第7 和排名第8 的發(fā)明人都隸屬于本田公司，且二人有大量專利是作為共同發(fā)明人的，說明這2位發(fā)明人有極大概率屬于同一研究團隊；而本田公司其他發(fā)明人之間共同申請專利的比例相對較低，因而屬于不同研究團隊的幾率較大。

6 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)分領(lǐng)域分析

6.1 各分技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埱闆r

本文將氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)分為密封結(jié)構(gòu)、流路結(jié)構(gòu)和堆疊結(jié)構(gòu)3 方面，并對這3 個技術(shù)分支的專利進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。其中，密封結(jié)構(gòu)是指用于將燃料電池電堆密封起來，從而產(chǎn)生避免反應氣體泄漏、提高電池使用壽命等作用。流路結(jié)構(gòu)是指燃料電池電堆內(nèi)部各種流體流通的通道結(jié)構(gòu)，流路結(jié)構(gòu)可保證電堆內(nèi)部各種流體的順暢流通和電池的工作穩(wěn)定性。具體來說，流路結(jié)構(gòu)可以分為反應氣體流路結(jié)構(gòu)、冷卻流路結(jié)構(gòu)和水排放流路結(jié)構(gòu)。堆疊結(jié)構(gòu)是指將構(gòu)成燃料電池堆的各組件（如單電池、集流板、絕緣板、端板和緊固件等）堆疊起來而形成的結(jié)構(gòu)，合理的堆疊結(jié)構(gòu)有利于降低電堆的制造難度、提高電池質(zhì)量。

從表2 中可以看出，流路結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專利申請量最大、占比最高，達到8.39%，說明申請人在該領(lǐng)域的研發(fā)投入最大，這可能是因為流路結(jié)構(gòu)直接影響著電池是否能夠在一定條件下發(fā)生反應，即電池是否能夠正常工作，以及是否能保證工作的穩(wěn)定性等。堆疊結(jié)構(gòu)次之，說明堆疊結(jié)構(gòu)也十分重要，申請人為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造難度和制造成本也進行了相當程度的研發(fā)。密封結(jié)構(gòu)的專利量最小，這可能是由于電堆的密封性更多地依賴于密封材料，密封結(jié)構(gòu)的影響以及其可改進的空間較小。

表2 氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)分解表

6.2 流路結(jié)構(gòu)核心專利解讀

流路結(jié)構(gòu)技術(shù)中，反應氣體流路結(jié)構(gòu)的相對重要性最高，其次是冷卻流路結(jié)構(gòu)，最后是水排放流路結(jié)構(gòu)。本文選擇各技術(shù)分支中具有代表性的核心專利進行解讀，用以說明流路結(jié)構(gòu)技術(shù)中各分支技術(shù)的發(fā)展情況。

反應氣體流路結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)主要集中在保證反應氣體量、提高反應氣體流通順暢性和抑制滯留水方面。例如，豐田專利CN107452968A中提出可通過改變流路形成體的結(jié)構(gòu)使氣體量增加，該流路形成體凸部的左右2 側(cè)傾斜角度不同、凸部左右2 個角與中心軸線的距離不同，當相鄰2個流路形成體在氣體流道方向上左右反轉(zhuǎn)布置時，氣體在此處流動時變會產(chǎn)生擾動，從而增加了氣體量。 豐田專利JP2019175714A中提出可通過優(yōu)化氣體流路的形狀和走向，使反應氣體供給到所需部位，保證所需部位的氣體量，該氣體流路由波形的流路槽、設(shè)置于流路槽的正交方向上的波狀凹槽和催化劑層構(gòu)成，波狀凹槽2端有寬度小于波狀凹槽的端槽，從而使流過端槽的氣體可以供給到催化劑層的2個邊緣，保證該部位的氣體量。本田專利CN103367777A提出在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體外周設(shè)置樹脂框構(gòu)件，樹脂框構(gòu)件2面形成緩沖部，從而實現(xiàn)各反應氣體的順暢流通。本田專利CN110993984A提出通過設(shè)置多孔質(zhì)體，多孔質(zhì)體和金屬隔板結(jié)合形成2個反應氣體流路，因而與僅在金屬隔板形成反應氣體流路的情況相比，能夠減小反應氣體的壓損并且能夠提高相對于電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體而言的氣體擴散性。

冷卻流路結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)主要集中在提高冷卻介質(zhì)流通的穩(wěn)定性、流路簡化，例如本田專利CN1638177A提出通過設(shè)置彎曲的氣體流路和在緩沖器的一側(cè)設(shè)置突起，從而保證冷卻劑沿隔板穩(wěn)定流動；本田專利CN101453029A提出采用間隔冷卻結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)流路的簡化。

水排放流路結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)主要集中在調(diào)整氣體排出歧管或流路的位置、方向和寬度等方面。例如，豐田專利CN105529487A提出端板上的第一氣體排出歧管與電池組內(nèi)的氣體排出歧管連通，絕緣板上的第二氣體排出歧管與第一氣體排出歧管連通，且第二氣體排出歧管的鉛垂下方側(cè)的歧管下壁位于比第一氣體排出歧管的鉛垂下方側(cè)的歧管下壁靠鉛垂下方側(cè)處，從而抑制其中的水分殘留。豐田專利CN105917510A提出通過設(shè)置多孔體流路，使水能夠容易地被排出到氧化劑排氣排出歧管，并避免水從氧化劑排氣排出歧管到多孔體流路的反向流動。

6.3 堆疊結(jié)構(gòu)核心專利解讀

本文對堆疊結(jié)構(gòu)中代表性的專利進行解讀，用以說明各重點企業(yè)在堆疊結(jié)構(gòu)方面的研發(fā)傾向。

國外申請人中，本田在電堆堆疊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究重點主要集中在降低堆疊厚度和提高堆疊在一定壓力下的可靠性方面。如專利CN1898825A公開了1種燃料電池和燃料電池組，通過在相鄰電解質(zhì)電極組件之間設(shè)置帶有圓盤的單板件隔板，實現(xiàn)相鄰電解質(zhì)電極組件之間的連接，同時形成氣體流路，減小堆疊方向的厚度。專利CN101335356A公開了1 種燃料電池，通過設(shè)置相互錯開的多個密封部，減小堆疊體的厚度，該結(jié)構(gòu)能夠容易且可靠地實現(xiàn)層疊方向的薄壁化。專利CN110783590A公開了1種燃料電池堆，該燃料電池堆在絕緣件與端子板之間設(shè)置彈性構(gòu)造，因此能夠吸收單電池層疊體中的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的電極部(電極反應面)處的層疊方向的尺寸變動，從而抑制電極部處的載荷變動，使電堆能夠承受更大的載荷。

日產(chǎn)在電堆堆疊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究重點主要集中在提高堆疊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面。如專利CN104854749A[提供了1 種燃料電池堆，通過采用載荷分擔構(gòu)件分擔電堆堆疊方向的壓縮載荷，采用載荷消除構(gòu)件消除電堆堆疊方向的拉伸載荷，從而保證電堆結(jié)構(gòu)不被損壞。專利CN104396070A公開了1種燃料電池堆，通過先層疊多個單體形成單體模塊，再將多個單體模塊層疊形成電堆的方式，防止單體模塊內(nèi)的單體發(fā)生變形。專利CN104170133A公開了1種燃料電池，通過采用彈性體吸收作用于框體和多孔體的外延部之間的表面壓力，從而防止膜電極接合體被損壞，保證電堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

國內(nèi)申請人中，上海神力科技有限公司在電堆堆疊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究重點主要集中在提高電堆的可裝配性方面。如專利CN1571201A公開了1 種改進型燃料電池堆組件及其制造方法，通過采用膠接密封的方式形成完整組件，使電堆易于裝配。專利CN2554805Y公開了1 種具有均勻緊固壓力的燃料電池堆，通過采用拉桿和緊固螺帽來緊固燃料電池，提高電堆結(jié)構(gòu)的緊湊性，使其易于裝配。專利CN1929177A公開了1 種帶有氫氣供給裝置的節(jié)能型燃料電池堆，通過采用供氫夾板提高氫氣分布均勻性，同時使電堆易于裝配。

7 結(jié)論

氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)在經(jīng)過一段時間的快速發(fā)展后，目前處于發(fā)展的穩(wěn)定期。日本成為氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)最大的專利申請目標國，其次是中國。

從申請人看，氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)主要掌握在跨國主機廠和Tier1 手中，國內(nèi)企業(yè)中僅上海神力科技有限公司專利申請量位列全球第16位，另外新源動力有限公司在國內(nèi)具有較多的氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)專利申請。國內(nèi)企業(yè)應該更加重視氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)在全球的專利布局，以防在“走出去”的時候受到知識產(chǎn)權(quán)的制約。綜合發(fā)明人分析，專利申請量排名前20的發(fā)明人中不存在中國發(fā)明人，還有待追趕。

氫燃料電池電堆結(jié)構(gòu)技術(shù)目前主要以流路結(jié)構(gòu)技術(shù)和堆疊結(jié)構(gòu)技術(shù)為研發(fā)熱點，其中流路結(jié)構(gòu)設(shè)計更的專利申請量更大。從專利技術(shù)中看，反應氣體流路結(jié)合和冷卻流路結(jié)構(gòu)較為重要，且以提高反應氣體供應量、流體流通順暢性、穩(wěn)定性和流路簡化等為主要改進方向。