基于專利分析的本田燃料電池技術

呂惠 王軍雷

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：本田 燃料電池 專利分析 專利布局

1 前言

燃料電池技術近5年在中國快速發(fā)展，多家國內(nèi)企業(yè)開展燃料電池汽車相關的研發(fā)，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)自主化進程加快，運營模式及商業(yè)模式逐漸形成。優(yōu)勢企業(yè)技術研發(fā)體系及產(chǎn)品開發(fā)體系逐步形成，產(chǎn)業(yè)組織模式創(chuàng)新趨于活躍，產(chǎn)業(yè)配套體系加快建設。燃料電池汽車示范運行區(qū)域示范運行規(guī)模進一步擴大。中國汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)推進燃料電池相關技術標準制定、零部件研發(fā)、實車試驗等活動。國內(nèi)企業(yè)在燃料電池技術的研究起步多比較早，但是在產(chǎn)業(yè)化方面的進程略顯步伐較慢。上汽、宇通在燃料電池汽車的產(chǎn)品層面步伐較快，上汽在2016年完成宇通汽車2015年獲得首款燃料電池課程公告，燃料電池產(chǎn)業(yè)開始逐漸由技術研發(fā)為主進入示范運行帶動的產(chǎn)業(yè)導入期。

燃料電池關鍵材料及關鍵部件自主化取得進展，自主化技術及產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，以新源動力、億華通、國鴻氫能的燃料電池自主化技術產(chǎn)品在功率密度、低溫環(huán)境適應性、耐久性等多項關鍵性能上接近國際先進水平，并進入批量化生產(chǎn)。但總體上，國內(nèi)企業(yè)距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。

本田在燃料電池技術方面進行研發(fā)布局多年，自2004年開始推出一代燃料電池技術，目前技術已迭代發(fā)展到第3代燃料電池汽車，本田在燃料電池汽車技術研發(fā)的過程中申請了大量的專利進行核心技術保護，本篇文章希望通過對本田燃料電池技術的專利分析，幫助國內(nèi)企業(yè)在燃料電池技術的研發(fā)及戰(zhàn)略規(guī)劃方面給予有益的參考。

2 本田燃料電池技術專利分析

本文研究本田技研工業(yè)株式會社在燃料電池汽車領域的專利布局情況?；贏utoPat全球汽車專利數(shù)據(jù)庫服務平臺，以申請人本田為檢索入口，專利選取范圍2019年12月31日前的專利，檢索后人工標引去躁，得出本田公司燃料電池汽車相關的專利進行分析。

2.1 專利申請趨勢

截至2019年12月31日，全球范圍內(nèi)，本田燃料電池汽車領域的相關專利申請共計6 607件，申請?zhí)柡喜⒑蠊灿? 287項。

從圖1所示，本田早在1996年就開始了對燃料電池技術的研究，并一直堅持自主研發(fā)燃料電池系統(tǒng)。2000年本田專利申請量達到216件，此時期專利申請初具規(guī)模。2002年前后專利申請量急劇增長，說明本田汽車在這一時期開展了大量燃料電池技術研究。在量產(chǎn)車推出年份前后，專利申請量在小范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰。比如推出2008款FCX Clarity專利申請量在2008年小范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰，2016款FCV Clarity也出現(xiàn)了同樣的情況?？傮w上來看，本田在2002年之后專利申請量呈現(xiàn)出下降趨勢。對于專利申請量下降的原因可能有以下3點：（1）目前本田可能在關鍵技術領域遇到技術瓶頸，（2）本田在自主研發(fā)技術方面趨于成熟，（3）本田可能處于新一代車型技術核心技術保密的考量，在新技術方面進行技術封鎖。

圖1 本田全球?qū)＠暾垜B(tài)勢

2.2 專利技術構成分析

將本田燃料電池汽車的專利全部進行人工標引，標引后的專利總體結(jié)構如圖2所示。圖2中數(shù)據(jù)為申請?zhí)柡喜⒑蟮臄?shù)據(jù)。本田燃料電池汽車的專利涉及氫燃料電池汽車、非氫類燃料電池汽車、基礎設施3個方面。

圖2 本田燃料電池技術分類架構

本田在燃料電池電堆、燃料電池系統(tǒng)是其研發(fā)重點，整車控制與管理、制氫、加氫站、固體氧化物燃料電池SOFC也布局了部分專利。

如圖3所示，近年來豐田在燃料電池電堆、燃料電池系統(tǒng)、整車控制與管理方面研發(fā)投入較大，且持續(xù)關注整車控制與管理的研發(fā)，最近幾年也開始布局加氫站、制氫方面的技術。

圖3 本田燃料電池技術研發(fā)趨勢

燃料電池電堆是本田涉足較早且持續(xù)關注的研發(fā)重點，研發(fā)內(nèi)容涉及燃料電池的核心部件、電堆集成、燃料電池單體等技術，具體技術包括膜電極組件、雙極板（流場板）、電解質(zhì)膜/質(zhì)子交換膜、氣體擴散層、燃料電池催化劑電堆結(jié)構集成、制造工藝等。

燃料電池系統(tǒng)方面，研發(fā)涉及氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、系統(tǒng)集成（fc發(fā)動機）、燃料電池電控、氣體除增濕系統(tǒng)等方面，具體技術包括儲氫罐/車載儲氫系統(tǒng)、燃料電池檢測與測試、集成控制、發(fā)動機整機等。

整車控制與管理也是本田涉足較早的技術領域，研發(fā)技術涉及注氫系統(tǒng)、整車布置、燃料電池安裝裝置。

加氫站是本田近2年才開始關注的技術，制氫和固體氧化物燃料電池SOFC是本田關注較早的領域，布局較早且在最近幾年均有專利布局。

3 本田燃料電池關鍵技術點解析

3.1 本田膜電極組件

本田在膜電極組件方面的專利共計302件，申請?zhí)柡喜⒑蠊灿?51件，技術涉及膜電極結(jié)構優(yōu)化以及制造工藝優(yōu)化。

在膜電極結(jié)構設計方面。本田燃料電池汽車技術方案中主要采用帶有樹脂框的電解質(zhì)膜電極結(jié)構體。而對膜電極結(jié)構的優(yōu)化主要集中在提高疲勞耐久性和可靠性。

在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體中，存在構成將一側(cè)的氣體擴散層設定為比固體高分子電解質(zhì)膜小的平面尺寸、且將另一側(cè)的氣體擴散層設定為與所述固體高分子電解質(zhì)膜相同的平面尺寸的所謂階梯MEA的情況。此時，為了削減比較高價的固體高分子電解質(zhì)膜的使用量并保護薄膜狀且強度較低的所述固體高分子電解質(zhì)膜，采用在外周裝入了樹脂框構件的帶有樹脂框的MEA。但是，在燃料氣體的壓力大于氧化劑氣體的壓力的情況下，膜容易變形，可能引起所述膜的機械性劣化。另外，在膜上與其他的構件相比更容易因干濕條件而產(chǎn)生較大的尺寸變化，從而可能因應力集中而在所述膜上引起龜裂等。

針對該問題，本田提供了1種燃料電池用帶有樹脂框的電解質(zhì)膜電極結(jié)構體(10)，如圖4所示，其具備階梯MEA(10a)和樹脂框構件(24)。在第二氣體擴散層(22b)的外周端部(22be)與內(nèi)側(cè)鼓出部(24a)之間形成有間隙部(CL)。第2電極催化劑層(22a)具有配置于間隙部(CL)的框狀外周緣部(22aR)，所述框狀外周緣部(22aR)的裂紋(28)的裂紋密度為30個/mm以下，且所述裂紋(28)彼此的間隔為0.06 mm以上。其通過簡單的結(jié)構，就能夠阻止因在樹脂框構件的間隙部配置的電極催化劑層的裂紋而向固體高分子電解質(zhì)膜的應力集中，且能夠良好地抑制所述固體高分子電解質(zhì)膜的變形。

圖4 帶有樹脂框的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體的固體高分子型發(fā)電單元

在另1技術方案中，本田提供了1種燃料電池用帶有樹脂框的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體，如圖5所示其具備：階梯狀的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體，其在固體高分子電解質(zhì)膜的一面上，設置具有第1催化劑層以及第1擴散層的第1電極，并在所述固體高分子電解質(zhì)膜的另一面上，設置具有第2催化劑層以及第2擴散層的第2電極,并且所述第1電極的平面尺寸設定為比所述第2電極的平面尺寸大的尺寸；樹脂框構件，其環(huán)繞所述階梯MEA的外周來設置。樹脂框構件的內(nèi)周凸部與從電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體的第2擴散層向外側(cè)突出的第2催化劑層相抵接。因此，能夠良好地抑制氧化劑氣體擴散到固體高分子電解質(zhì)膜的端部側(cè)，并能夠有效地阻止在所述固體高分子電解質(zhì)膜的端部側(cè)發(fā)生劣化反應。因此，能夠通過簡單的構成，抑制構成階梯MEA的固體高分子電解質(zhì)膜的端部劣化。

圖5 帶有樹脂框的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體的燃料電池主要部分分解

3.2 本田雙極板

本田在雙極板（流場板）方面的專利共計216件，申請?zhí)柡喜⒑蠊灿?94件，技術涉及雙極板（流場板）結(jié)構優(yōu)化以及制造工藝的改進。

在制造工藝的改進方面，在接合隔板的制造中，存在因伴隨著激光焊接產(chǎn)生的熱而發(fā)生熱應變，導致隔板側(cè)翹曲。當在隔板發(fā)生翹曲時，燃料電池單體難以彼此精度良好地層疊，也是成為在燃料電池單體的內(nèi)部流動的反應氣體、制冷劑發(fā)生泄漏、MEA與隔板的接觸表面壓力不均勻等的原因（如圖6）。

圖6 接合隔板的制造方法工序

針對上述問題，本田提供了1種在焊接多個隔板時，能夠抑制因熱應變而發(fā)生翹曲從而良好地制造接合隔板的接合隔板的制造方法以及制造裝置。如圖7所示，在接合隔板(33)的制造方法以及制造裝置(80)中，進行利用基底部(86)和加壓部(90)夾持層疊狀態(tài)下的第1和第2隔板(30)、(32)的固定工序。之后，進行焊接工序，經(jīng)由在加壓部(90)設置的間隙(98)，從激光發(fā)射部(84)照射激光來對第1和第2隔板(30)、(32)進行焊接。然后，在焊接工序之后，進行追加沖壓工序，使抵壓構件(102)經(jīng)由間隙(98)進入并利用該抵壓構件(102)抵壓被激光焊接了的熱影響部(100)。

圖7 接合隔板與制造裝置

上述的接合隔板的制造方法以及制造裝置，能夠在利用激光進行激光焊接之后，在基底部與加壓部之間夾著兩個金屬板的狀態(tài)下，利用抵壓構件抵壓被焊接了的區(qū)域，由此能夠使在被焊接了的區(qū)域殘留的殘留應力分散從而效率良好地矯正金屬板自身的翹曲。根據(jù)這樣的接合隔板，能夠使燃料電池單體精度良好地層疊，并且抑制反應氣體、制冷劑泄漏，另外還能夠使電解質(zhì)膜-電極結(jié)構體(MEA)與隔板的接觸表面壓力更均勻化。

3.3 本田質(zhì)子交換膜

本田在電解質(zhì)膜/質(zhì)子交換膜方面的專利共計561件，申請?zhí)柡喜⒑蠊灿?45件，技術涉及傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜的替代材料。技術改進主要集中在提高電性能、疲勞耐久性以及降低成本等。

3.3.1 提高發(fā)電性能

使用芳香族材料作為電解質(zhì)膜，可以在高溫和低溫條件下都能使離子順利通過，提高了啟動性以及發(fā)電性能。常規(guī)地，全氟亞烷基磺酸高分子化合物被用作膜一電極結(jié)構中的高分子電解質(zhì)膜。全氟亞烷基磺酸高分子化合物由于被磺化而具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導性，并且具有作為氟樹脂的耐化學性，但是非常昂貴。

本田提供了1種用于固體聚合物燃料電池的膜-電極結(jié)構。膜電極結(jié)構在低溫下具有優(yōu)異的耐熱水性、抗氧化性和尺寸穩(wěn)定性，并且即使在低溫環(huán)境下也可以提供優(yōu)異的發(fā)電性能。膜/電極結(jié)構體包括：固體高分子電解質(zhì)膜1，夾著固體高分子電解質(zhì)膜1的1對電極催化劑層2；以及各電極催化劑層，由氣體擴散層3構成，分別堆疊在催化劑2的頂部。膜電極結(jié)構包括聚合物電解質(zhì)膜，該聚合物電解質(zhì)膜包含聚芳撐聚合物的磺化產(chǎn)物，該聚芳撐聚合物的磺化產(chǎn)物包含通式（1）表示的重復單元和通式（1）表示的重復單元，其中Y表示二價原子或有機基團或直接鍵;Ar表示芳香族基團，只要該芳香族基團包括其衍生物即可。根據(jù)本發(fā)明的膜電極結(jié)構，可獲得優(yōu)異的耐熱性，耐酸性和離子傳導性。另外，根據(jù)本發(fā)明的膜-電極結(jié)構，由于聚亞芳基聚合物的磺化尺寸變化率降低，因此在聚合物電解質(zhì)膜與電極催化劑層之間獲得了優(yōu)異的粘合性（如圖8）。

圖8 膜/電極結(jié)構

3.3.2 使質(zhì)子交換膜變薄以及增強質(zhì)子交換膜的疲勞耐久性

本田提供了1種膜電極組件和燃料電池，其中通過增強固體聚合物電解質(zhì)膜的自我保護來使固體聚合物電解質(zhì)膜的厚度變薄，該膜電極組件包括固體聚合物電解質(zhì)膜和1對氣體擴散電極層具有催化劑層和氣體擴散層。氣體擴散電極層的催化劑層夾著固體高分子電解質(zhì)膜，固體高分子電解質(zhì)膜的1個面被氣體擴散電極層覆蓋，固體高分子電解質(zhì)膜的另1面在氣體擴散電極層上延伸（如圖9）。

圖9 膜電極組件結(jié)構

3.4 本田燃料電池系統(tǒng)

本田在燃料電池系統(tǒng)方面重要的技術改進主要聚焦在低溫啟動技術方面。

本田在低溫啟動方面的專利共計133件，申請?zhí)柡喜⒑?2件，技術方案主要涉及電堆加熱、氣體吹掃。

本田提供了1種在冰點以下啟動燃料電池系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)可使燃料電池堆從凝固點溫度開始發(fā)電并迅速將燃料電池堆加熱到0°C或更高。

如圖10所示，在凍結(jié)點下啟動燃料電池系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)中，在制冷劑通道中充滿冷卻劑的條件下，燃料電池堆1的熱容量為預定值，其中當燃料電池堆1通過從預定的激活開始溫度開始的發(fā)電而開始加熱到-10℃以下時，膜電極結(jié)構的溫度變?yōu)?℃以上之前，在電極結(jié)構不能發(fā)電之前。方法和系統(tǒng)：在凝固點為燃料電池堆1提供反應氣體，在燃料電池堆的制冷劑通道中填充有冷卻劑，以激活燃料電池堆1?？刂迫剂想姵囟?的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發(fā)電所需的最小必要電流的電流，而燃料電池堆1補充用于加熱的輸出電流。并通過伴隨燃料電池堆1的發(fā)電的自加熱，將燃料電池堆1從超過預定的激活開始溫度的凝固點加熱到0℃以上?？刂迫剂想姵囟?的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發(fā)電所需的最小必要電流的電力電流，同時燃料電池堆1補充用于加熱的輸出電流。并通過伴隨燃料電池堆1的發(fā)電的自加熱，將燃料電池堆1從超過預定的激活開始溫度的凝固點加熱到0℃以上?？刂迫剂想姵囟?的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發(fā)電所需的最小必要電流的電力電流，同時燃料電池堆1補充用于加熱的輸出電流。并通過伴隨燃料電池堆1的發(fā)電的自加熱，將燃料電池堆1從超過預定的激活開始溫度的凝固點加熱到0℃以上。

圖10 電堆自加熱流程

4 本田燃料電池第3代產(chǎn)品改進分析

本田汽車公司2016款FCV Clarity搭載本田自制第3代金屬極板燃料電池堆，電堆、系統(tǒng)零部件、電機和控制器等組成的高度集成化燃料電池動力系統(tǒng)置于引擎蓋下，鋰電池組占據(jù)底盤位置。第3代金屬極板燃料電池繼續(xù)降低流道槽深，采用水平波紋逆流進氣形式，實現(xiàn)世界級高功率密度3.1 kW/L。與2008款FCX Clarity燃料電池堆相比，實現(xiàn)體積功率密度增加60%，質(zhì)量功率密度增加35%（如圖11）。

圖11 本田第3代燃料電池產(chǎn)品

2016款FCV Clarity燃料電池對膜電極外圍的樹脂框架進行重新設計，并且與外圍樹脂框架接觸的極板保持平坦(無凹凸)。外圍樹脂框架部分設計出流槽，以給兩側(cè)分別導流氫氣和氧氣，保證電池表面氣體分布均勻。質(zhì)子膜超薄化以降低電池厚度、強化產(chǎn)物水反擴散性能；增加擴散層孔隙率以提高氣體擴散性能和排水能力(陽極電極提高氣體擴散性能，即使電極厚度降低也可以提高氫氣擴散性能)。與FCX Clarity燃料電池相比，上述措施使得電池所需加濕量降低40%，意味著在低載荷運行期間(氣量少導致壓差驅(qū)動的排水性能差)，電池甚至可以不用加濕。因此，F(xiàn)CV Clarity燃料電池有望實現(xiàn)氣體凝結(jié)前排水、產(chǎn)物水附著流道不再發(fā)生、氣體流道槽深再降低26%(與上一代相比)。本田汽車公司通過降低質(zhì)子膜和擴散層厚度來降低膜電極厚度，實現(xiàn)單電池厚度降低20%到1 mm厚。因此無需采用上一代FCX Clarity燃料電池采用重力強化排水能力的做法。

2016款FCV Clarity主要通過降低熱質(zhì)量、減少膜電極組件面積電阻來提升溫升。質(zhì)子膜變薄、提高質(zhì)子膜電導率、擴散層變薄等措施進一步降低膜電極組件的面積電阻。通過保持膜電極表面水分均勻進一步減少低濕環(huán)境下的質(zhì)子膜電阻(逆流實現(xiàn))。上述措施使電堆在-20℃環(huán)境下的電阻降低1/3，提高了啟動性能。降低流道槽深和電池片數(shù)實現(xiàn)體積更小重量更輕，電池內(nèi)冷卻液的體積也減少，這些使得電堆熱質(zhì)量降低12%，提高了啟動過程功率增加速度(相比上一代電堆，-20℃環(huán)境下自啟動至50%功率耗時降低一半)。

在2016款FCV Clarity燃料電池中，膜電極外圍設立了樹脂邊框，發(fā)電區(qū)域形狀規(guī)則化。發(fā)電區(qū)域形狀矩形化后可使微孔層和催化層在卷狀擴散層上涂覆形成，之后采用多腔沖孔法將膜電極沖切下來，從而實現(xiàn)高速連續(xù)生產(chǎn)，大大提高了材料利用率，在膜電極面積相同情況下，質(zhì)子膜和擴散層使用量降低了40%，提高產(chǎn)量，降低成本。

5 結(jié)束語

從整體燃料電池技術路線來看，本田主要進行質(zhì)子交換膜燃料電池技術路線，同時嘗試探索固體氧化物燃料電池技術的布局。雖然本田在2021年6月暫時停止生產(chǎn)其燃料電池汽車，但2040年電動汽車和燃料電池汽車占整體銷量100%仍是其重要的戰(zhàn)略方向。未來燃料電池技術路線依然是本田重要的新能源技術路線的選擇。

本田在燃料電池技術方面，重點聚焦電堆集成及核心部件質(zhì)子交換摸、膜電極、雙極板等方面的布局。其技術研發(fā)儲備超過20年，總體技術已經(jīng)趨于成熟。在燃料電池產(chǎn)品方面，車型經(jīng)歷到第3代產(chǎn)品，采用金屬極板燃料電池堆技術，低溫啟動能夠達到零下20°C環(huán)境下的自啟動，同時膜電極的外圍材料也不斷的得到了成本的降低。

本田在未來的燃料電池技術研發(fā)方面，依然會聚焦及燃料電池電堆的技術改進及催化劑技術的改進，包括如何實現(xiàn)更高的體積功率密度以及如何增加質(zhì)量功率密度。低溫環(huán)境下的啟動性能、膜電極外圍的材料降本的利用率也依然有再進一步改進的空間，也將成為其持續(xù)性的改進熱點。

國內(nèi)企業(yè)進行燃料電池技術研發(fā)時，可以重點參考其第3代燃料電池汽車技術方面的一些重要技術改進點，吸取一些經(jīng)驗教訓。