三、部分申請(qǐng)人及公開(kāi)專利介紹

3.1 豐田公司

圖3-1 豐田公司2月公開(kāi)專利技術(shù)分支情況

2020年2月，豐田公司在燃料電池領(lǐng)域共公開(kāi)專利69件，主要涉及電堆、系統(tǒng)控制、整車等技術(shù)分支。

下文分析的豐田公司燃料電池系統(tǒng)控制相關(guān)專利的專利公開(kāi)號(hào)為：CN110783602A、JP2020021533A。

3.1.1 CN110783602A——排氣排水閥工作狀態(tài)判斷

排氣排水閥可用于將廢氣以及發(fā)電生成的水排到外部。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)檢測(cè)到排氣排水閥的溫度處于解凍溫度以上時(shí)，則判定排氣排水閥能夠正常進(jìn)行開(kāi)閥動(dòng)作。然而，當(dāng)排氣排水閥中存在灰塵等異物或者閥內(nèi)存在的冰未完全消融時(shí)，此時(shí)即使排氣排水閥的溫度處于解凍溫度以上，閥門也可能無(wú)法進(jìn)行正常開(kāi)閥動(dòng)作。因此，僅憑溫度無(wú)法準(zhǔn)確判斷出排氣排水閥閥門是否可以執(zhí)行開(kāi)閥動(dòng)作。

基于此，CN110783602A提出了一種燃料電池系統(tǒng)，可有效對(duì)閥門的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，具體為：

燃料電池系統(tǒng)10如下圖所示，包括陽(yáng)極氣體供排系統(tǒng)50（供給系統(tǒng)50A、循環(huán)系統(tǒng)50B、排出系統(tǒng)50C）、陰極氣體供應(yīng)系統(tǒng)30，冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)70。

圖3-2 CN110783602A燃料電池系統(tǒng)

在燃料電池啟動(dòng)開(kāi)始階段時(shí)，排氣排水閥接收到開(kāi)閥指示的情況下，控制部62通過(guò)將排氣排水閥58中陽(yáng)極廢氣的排氣流量與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若在基準(zhǔn)值以上，則排氣排水閥58可正常進(jìn)行開(kāi)閥動(dòng)作；反之，則存在異常。

具體為：

在燃料電池系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令后，首先由控制部判斷環(huán)境溫度是否在冰點(diǎn)以下，例如可通過(guò)檢測(cè)制冷劑排出流路79B處制冷劑的溫度或者排氣排水閥58處的溫度等。處于低溫啟動(dòng)條件下時(shí)，打開(kāi)空壓機(jī)向燃料電池供給空氣，同時(shí)通過(guò)噴射器向陽(yáng)極供應(yīng)燃料氣體（并停用循環(huán)泵）；當(dāng)陽(yáng)極氣體供給壓力上升至指定值時(shí)（可用壓力傳感器59測(cè)量氣體壓力值并計(jì)算出陽(yáng)極氣體供給量≥陽(yáng)極體積為止），控制部指示排氣排水閥58打開(kāi)，并在預(yù)定時(shí)間后（如0.3S），對(duì)排氣排水閥58的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)陽(yáng)極廢氣排氣流量大于或等于預(yù)定參考值時(shí)，則可判定排氣排水閥可正常動(dòng)作；反之，則存在異常。進(jìn)一步，若排氣排水閥58可正常動(dòng)作，則允許車輛行駛；若存在異常，則生成異常報(bào)告通知駕駛員。

本方法通過(guò)陽(yáng)極廢氣排氣流量情況來(lái)對(duì)排氣排水閥的工作狀態(tài)進(jìn)行判定，可有效提高檢測(cè)精確率。

圖3-3 CN110783602A燃料電池系統(tǒng)控制流程圖

3.1.2 JP2020021533A——電堆內(nèi)負(fù)電壓檢測(cè)及造成負(fù)電壓的原因判斷

氫氣缺乏會(huì)導(dǎo)致燃料電池堆的電壓變?yōu)樨?fù)電壓，現(xiàn)有技術(shù)通常采取增加氫氣流量來(lái)消除負(fù)電壓。然而，此種方法有時(shí)難以奏效，且用戶無(wú)法得知造成負(fù)電壓的原因。

基于此，JP2020021533A提出一種燃料電池系統(tǒng)，可準(zhǔn)確檢測(cè)電堆內(nèi)負(fù)電壓以及產(chǎn)生負(fù)電壓的原因，具體為：

圖3-4 JP2020021533A燃料電池系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)100包括電堆20、陽(yáng)極氣體供排系統(tǒng)30、陰極氣體供排系統(tǒng)60、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)70，通知單元80、記憶單元84和控制單元90等。

S101：當(dāng)燃料電池啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)始負(fù)電壓通知控制。控制單元90通過(guò)單元監(jiān)視器22發(fā)送的電壓值來(lái)確定各單電池的電壓是否為負(fù)電壓。

S102：當(dāng)存在負(fù)電壓時(shí)，控制單元90執(zhí)行電流限制以防止負(fù)電壓導(dǎo)致電堆內(nèi)每個(gè)單電池發(fā)生劣化，同時(shí)增加陽(yáng)極氣體流量以使電堆中的水分被陽(yáng)極氣體沖走，使水分向氣液分離器側(cè)移動(dòng)。

S103：在執(zhí)行S102后，重新從單元監(jiān)視器20獲取每個(gè)單電池的電壓，判斷是否存在負(fù)電壓；若仍存在負(fù)電壓，則進(jìn)一步確認(rèn)負(fù)電壓產(chǎn)生的原因；若不存在負(fù)電壓則可檢查啟動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)（S121），當(dāng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)（S121，YES），控制單元90結(jié)束負(fù)電壓通知處理。

S104：氫泵凍結(jié)判定。首先判斷氫泵46運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，通過(guò)將控制單元90發(fā)送的命令值與氫泵46實(shí)際的輸出量進(jìn)行比較，若實(shí)際輸出量小于或者大于命令值，則說(shuō)明氫泵運(yùn)轉(zhuǎn)異常；在判定氫泵運(yùn)轉(zhuǎn)異常后，可根據(jù)外部溫度傳感器檢測(cè)到的溫度情況來(lái)確定氫泵是否有可能被凍結(jié)。當(dāng)?shù)陀?℃時(shí)，存在凍結(jié)可能；反之，則無(wú)。

S105：排氣排水閥凍結(jié)判定。控制單元90向排氣排水閥48發(fā)出打開(kāi)/關(guān)閉指令，根據(jù)陽(yáng)極氣體供應(yīng)通道中的壓力變化，來(lái)判斷是否運(yùn)行正常。例如，當(dāng)發(fā)送“打開(kāi)”指令時(shí)，若此時(shí)陽(yáng)極氣體供應(yīng)通道中的壓力變低，則說(shuō)明排氣排水閥正常運(yùn)轉(zhuǎn)，未發(fā)生凍結(jié)（正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可將生成水和廢氣排出，使通道壓力下降）。

S106-S109：當(dāng)判定氫泵和排氣排水閥中的至少一個(gè)存在凍結(jié)可能性時(shí)，由通知單元80執(zhí)行通知，隨后燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電，并記錄相關(guān)信息（車輛信息、環(huán)境溫度、凍結(jié)部件、凍結(jié)預(yù)估原因等）。             S106-S133：當(dāng)判定氫泵和排氣排水閥中均不存在凍結(jié)可能性時(shí)，由通知單元80執(zhí)行通知，燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電，并記錄相關(guān)信息。記錄的信息可以輔助專業(yè)人士進(jìn)行故障原因判斷。

圖3-5 JP2020021533A控制流程圖

3.2 現(xiàn)代公司

圖3-6 現(xiàn)代公司2月公開(kāi)專利技術(shù)分支情況

2020年2月，現(xiàn)代公司在燃料電池領(lǐng)域共公開(kāi)專利27件，主要涉及電堆、系統(tǒng)控制、增濕等技術(shù)分支。

下文分析的現(xiàn)代公司燃料電池系統(tǒng)控制相關(guān)專利的專利公開(kāi)號(hào)為：JP2016219395A、US20200055422A1。

3.2.1 JP2016219395A——用于恢復(fù)燃料電池堆性能的方法和裝置

通常，膜電極組件中的電極在一定工作時(shí)間之后會(huì)發(fā)生劣化，從而引起燃料電池性能的下降。發(fā)生劣化的原因包括：電極中催化劑的表面上形成有氧化物或吸附有雜質(zhì)等。例如，陰極催化劑表面生成有Pt氧化物，降低了氧還原反應(yīng)速率；陽(yáng)極催化劑吸附了CO，導(dǎo)致氫氧化反應(yīng)速率降低；在高功率和低濕度操作期間，使SO3-端基重排，導(dǎo)致離子導(dǎo)電性降低，同時(shí)SO3-吸附至鉑催化劑表面，降低催化劑了活性……以上情形導(dǎo)致的燃料電池堆性能下降為可逆的，所以可采取相應(yīng)措施使燃料電池堆的性能（部分）恢復(fù)。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要通過(guò)陰極側(cè)氫氣加速鉑氧化物的還原使電堆性能恢復(fù)，具體手段為：向陰極供應(yīng)氫氣，并使氫氣在陰極停留一定時(shí)間以去除鉑表面上的氧化物；向陽(yáng)極供應(yīng)空氣、陰極供應(yīng)氫氣以使電極反轉(zhuǎn)，并向電極施加高脈沖電流，以除去陰極催化劑表面形成的氧化物；然而，上述方法不能有效改善由于陽(yáng)極鉑催化劑表面吸附有雜質(zhì)（CO、SO3-）時(shí)導(dǎo)致的電堆性能劣化。

圖3-7 現(xiàn)有技術(shù)與JP2016219395A方案對(duì)比

基于此，JP2016219395A提出了一種用于恢復(fù)燃料電池堆性能的方法和裝置，可同時(shí)去除陽(yáng)極和陰極催化劑表面上的Pt氧化膜以及吸附至其表面上的雜質(zhì)（CO、SO3-）等，具體為：

圖3-8 燃料電池性能恢復(fù)系統(tǒng)

性能恢復(fù)裝置包括反應(yīng)氣體供應(yīng)變化機(jī)構(gòu)（三通閥）、電流流動(dòng)變化機(jī)構(gòu)（接觸型繼電器）等。恢復(fù)方法為（OCV?氫氣泵送反應(yīng)），S1：在因長(zhǎng)期使用而發(fā)生性能劣化的燃料電池堆中，向陽(yáng)極供應(yīng)氫氣、向陰極供應(yīng)空氣，在向陰極停止供應(yīng)空氣之后（持續(xù)供給氫氣），向陰極施加0.1A/cm2的電流脈沖約3-5分鐘，使電池電位達(dá)到-0.1V，并使陰極發(fā)生氫氣泵送反應(yīng)；

S2：當(dāng)發(fā)生氫氣泵送反應(yīng)后，再向陰極供應(yīng)空氣（約1min）以維持開(kāi)路電壓OCV，并同時(shí)供應(yīng)10-15℃的冷凝水，使電堆處于高濕度條件下進(jìn)行性能恢復(fù)操作；

S3：進(jìn)行電極反轉(zhuǎn)，在電極反轉(zhuǎn)后，停止向陰極’（即反轉(zhuǎn)前的陽(yáng)極）供應(yīng)空氣，通過(guò)施加電流使陰極’發(fā)生氫氣泵送反應(yīng)，在進(jìn)行氫氣泵送反應(yīng)后，向陰極’供應(yīng)空氣以維持開(kāi)路電壓；

S4:重復(fù)進(jìn)行步驟S1-S3 6次。

圖3-9 處理過(guò)程

通過(guò)上述方法，利用電流脈沖，使電極處形成“OCV?氫氣泵送反應(yīng)”，可有效去除陽(yáng)極和陰極催化劑表面上的Pt氧化膜以及吸附至其表面上的雜質(zhì)（CO、SO3-）等。

具體原理見(jiàn)下圖：

圖3-10 JP2016219395A恢復(fù)電堆性能原理圖

3.2.2 US20200055422A1——燃料電池車輛的外部供電系統(tǒng)和供電方法

燃料電池車輛使用燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而獲得動(dòng)力；也可將發(fā)電電力用于向車輛外部負(fù)載供電。當(dāng)用作向外部負(fù)載供電時(shí)，需要針對(duì)各種情況進(jìn)行配電控制或者當(dāng)燃料電池怠速停止（FC idle-stop）時(shí)向車輛外部負(fù)載進(jìn)行供電的技術(shù)。

基于此，US20200055422A1提出了一種燃料電池車輛的外部供電系統(tǒng)和供電方法，能夠基于車輛外部的負(fù)載功率大小和高壓電池的電荷狀態(tài)（SOC）來(lái)控制燃料電池和操作充電/放電單元，具體為：

圖3-11 US20200055422A1外部供電系統(tǒng)

外部供電系統(tǒng)如圖3-11所示，包括燃料電池10、高壓電池30、DC變換器（充放電控制單元）20、控制器50、電源管理系統(tǒng)（BMS）等�？刂破骺膳渲脼殡S著向車輛外部負(fù)載提供電力的增加，增大從燃料電池處提供電力的比率；當(dāng)向車輛外部負(fù)載提供電力的減小時(shí)，可增大從高壓電池處提供電力的比率。更進(jìn)一步，控制器還可以根據(jù)外部負(fù)載電力的大小，將控制方式分為多個(gè)控制模式，具體如下：

圖3-12 US20200055422A1控制流程圖

S1：控制器可根據(jù)獲取到的外部負(fù)載功率大小以及高壓電池的電荷狀態(tài)，來(lái)選取具體的控制模式。在本專利中，現(xiàn)代通過(guò)設(shè)立外部負(fù)載功率大小A和B，來(lái)將外部負(fù)載功率大小劃分為三個(gè)區(qū)間（<A；A~B；≥B），并根據(jù)對(duì)應(yīng)的外部負(fù)載功率大小，將控制模式分為低功率控制模式（<A）、中間功率控制模式（A~B）、高功率控制模式（≥B）。

S2a：處于低功率控制模式時(shí)，當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)≥SOCI時(shí)，可停止由燃料電池向外部負(fù)載供電而僅由高壓電池向其供電；在≥SOC I時(shí)，高壓電池可設(shè)置為不再需要被充電并以相對(duì)低的輸出電壓對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電（可通過(guò)配置DC變換器實(shí)現(xiàn)，以防止因升壓而帶來(lái)的電力轉(zhuǎn)換效率降低）。當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)降至低于SOC II時(shí)（SOC II可配置為足夠?qū)Ω邏弘姵爻潆姸�不使高壓電池放電的值），可仍使用高壓電池向外部�?fù)載供電同時(shí)使燃料電池向高壓電池充電�？傊�，在低功率控制模式下，最大限度地停止對(duì)燃料電池的操作，并使高壓電池充電/放電最大化，將高壓電池的電力供應(yīng)至負(fù)載。

S2b：處于中間功率控制模式時(shí)，當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)≥SOCIII時(shí)，使用燃料電池和高壓電池兩者的電力向外部負(fù)載供電，同時(shí)控制器可配置DC變換器20抑制高壓電池的充電/放電，以使高壓電池的充電量處于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，并減小DC變換器處的電力消耗；當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)上升至SOC I時(shí)，可停止由燃料電池向外部負(fù)載供電（可使燃料電池處于idle-stop狀態(tài)，此時(shí)可中斷空氣供應(yīng)、并持續(xù)供應(yīng)氫氣并使氫氣再循環(huán)）而僅由高壓電池向其供電（仍以相對(duì)低的輸出電壓進(jìn)行）；當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)小于SOC III時(shí)，可仍使用高壓電池向外部負(fù)載供電同時(shí)使燃料電池向高壓電池充電�？傊�，在中間控制模式模式下，當(dāng)高壓電池的電荷狀態(tài)維持在特定狀態(tài)中（SOC III ~ SOC I）時(shí)可以使用燃料電池和高壓電池兩者的電力來(lái)給外部負(fù)載供電。

S2c：處于高功率控制模式時(shí)，當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)小于SOCI時(shí)，可僅使用燃料電池產(chǎn)生的電力來(lái)向外部負(fù)載進(jìn)行供電；特別是當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)小于SOC II 時(shí)，在使用燃料電池向外部負(fù)載進(jìn)行供電的同時(shí)，對(duì)高壓電池進(jìn)行充電，防止其荷電狀態(tài)處于較低水平。當(dāng)高壓電池的荷電狀態(tài)≥SOC I時(shí)，可通過(guò)控制DC變換器20以允許高壓電池放電，并將該部分放電電力供應(yīng)到外部負(fù)載上；另一方面，若此時(shí)外部負(fù)載的功率小于燃料電池的最小生成功率（從功率產(chǎn)生效率來(lái)看），可停止操作燃料電池使其進(jìn)入idle-stop狀態(tài)，僅由高壓電池對(duì)外部負(fù)載供電�？傊�，在高功率控制模式下，最大化地利用燃料電池產(chǎn)生電力對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電，最大程度減少高壓電池的充放電。

S3：判斷燃料電池狀態(tài)。當(dāng)燃料電池處于正常狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行正常操作；當(dāng)判斷燃料電池處于水淹狀態(tài)時(shí)，需要調(diào)整至合適電流密度以及增大空氣流速來(lái)使燃料電池恢復(fù)至正常狀態(tài)；當(dāng)判斷燃料電池處于干燥狀態(tài)時(shí)，需要停止向燃料電池供應(yīng)空氣而使燃料電池恢復(fù)正常狀態(tài)。此時(shí)要求高壓電池可單獨(dú)向外部負(fù)載進(jìn)行供電，因此必須確保高壓電池的荷電狀態(tài)保持在可單獨(dú)對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電的最低水平（即SOC II）以上，可通過(guò)操作DC變換器以抑制高壓電池輸出電壓的升高。