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年在中國快速發展，多家國內企業開展燃料電池汽車相關的研發，燃料電池汽車產業自主化進程加快，運營模式及商業模式逐漸形成。優勢企業技術研發體系及產品開發體系逐步形成，產業組織模式創新趨于活躍，產業配套體系加快建設。燃料電池汽車示范運行區域示范運行規模進一步擴大。中國汽車產業持續推進燃料電池相關技術標準制定、零部件研發、實車試驗等活動。國內企業在燃料電池技術的研究起步多比較早，但是在產業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，燃料電池產業開始逐漸由技術研發為主進入示范運行帶動的產業導入期。

燃料電池關鍵材料及關鍵部件自主化取得進展，自主化技術及產品不斷涌現，以新源動力、億華通、國鴻氫能的燃料電池自主化技術產品在功率密度、低溫環境適應性、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。但總體上，國內企業距離產業化還有一定的距離。

本田在燃料電池技術方面進行研發布局多年，自2004年開始推出一代燃料電池技術，目前技術已迭代發展到第3代燃料電池汽車，本田在燃料電池汽車技術研發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，幫助國內企業在燃料電池技術的研發及戰略規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株式會社在燃料電池汽車領域的專利布局情況。基于AutoPat全球汽車專利數據庫服務平臺，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，本田燃料電池汽車領域的相關專利申請共計6 607件，申請號合并后共計4 287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燃料電池系統。2000年本田專利申請量達到216件，此時期專利申請初具規模。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。在量產車推出年份前后，專利申請量在小范圍內出現波峰。比如推出2008款FCX Clarity專利申請量在2008年小范圍內出現波峰，2016款FCV Clarity也出現了同樣的情況。總體上來看，本田在2002年之后專利申請量呈現出下降趨勢。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 本田全球專利申請態勢

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構如圖2所示。圖2中數據為申請號合并后的數據。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、燃料電池系統是其研發重點，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、整車控制與管理方面研發投入較大，且持續關注整車控制與管理的研發，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趨勢

燃料電池電堆是本田涉足較早且持續關注的研發重點，研發內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）、電解質膜/質子交換膜、氣體擴散層、燃料電池催化劑電堆結構集成、制造工藝等。

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

整車控制與管理也是本田涉足較早的技術領域，研發技術涉及注氫系統、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，申請號合并后共計251件，技術涉及膜電極結構優化以及制造工藝優化。

在膜電極結構設計方面。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膜電極結構體。而對膜電極結構的優化主要集中在提高疲勞耐久性和可靠性。

在電解質膜-電極結構體中，存在構成將一側的氣體擴散層設定為比固體高分子電解質膜小的平面尺寸、且將另一側的氣體擴散層設定為與所述固體高分子電解質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膜電極結構體(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)與內側鼓出部(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膜的應力集中，且能夠良好地抑制所述固體高分子電解質膜的變形。

圖4 帶有樹脂框的電解質膜-電極結構體的固體高分子型發電單元

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膜-電極結構體，如圖5所示其具備：階梯狀的電解質膜-電極結構體，其在固體高分子電解質膜的一面上，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，其環繞所述階梯MEA的外周來設置。樹脂框構件的內周凸部與從電解質膜-電極結構體的第2擴散層向外側突出的第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膜的端部側，并能夠有效地阻止在所述固體高分子電解質膜的端部側發生劣化反應。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膜的端部劣化。

圖5 帶有樹脂框的電解質膜-電極結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，申請號合并后共計194件，技術涉及雙極板（流場板）結構優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生的熱而發生熱應變，導致隔板側翹曲。當在隔板發生翹曲時，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部流動的反應氣體、制冷劑發生泄漏、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，經由在加壓部(90)設置的間隙(98)，從激光發射部(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下，利用抵壓構件抵壓被焊接了的區域，由此能夠使在被焊接了的區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膜-電極結構體(MEA)與隔板的接觸表面壓力更均勻化。

3.3 本田質子交換膜

本田在電解質膜/質子交換膜方面的專利共計561件，申請號合并后共計345件，技術涉及傳統質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 提高發電性能

使用芳香族材料作為電解質膜，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電性能。常規地，全氟亞烷基磺酸高分子化合物被用作膜一電極結構中的高分子電解質膜。全氟亞烷基磺酸高分子化合物由于被磺化而具有優異的質子傳導性，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-電極結構。膜電極結構在低溫下具有優異的耐熱水性、抗氧化性和尺寸穩定性，并且即使在低溫環境下也可以提供優異的發電性能。膜/電極結構體包括：固體高分子電解質膜1，夾著固體高分子電解質膜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。膜電極結構包括聚合物電解質膜，該聚合物電解質膜包含聚芳撐聚合物的磺化產物，該聚芳撐聚合物的磺化產物包含通式（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。根據本發明的膜電極結構，可獲得優異的耐熱性，耐酸性和離子傳導性。另外，根據本發明的膜-電極結構，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膜與電極催化劑層之間獲得了優異的粘合性（如圖8）。

圖8 膜/電極結構

3.3.2 使質子交換膜變薄以及增強質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膜的自我保護來使固體聚合物電解質膜的厚度變薄，該膜電極組件包括固體聚合物電解質膜和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膜，固體高分子電解質膜的1個面被氣體擴散電極層覆蓋，固體高分子電解質膜的另1面在氣體擴散電極層上延伸（如圖9）。

圖9 膜電極組件結構

3.4 本田燃料電池系統

本田在燃料電池系統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，申請號合并后82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的方法和系統，該方法和系統可使燃料電池堆從凝固點溫度開始發電并迅速將燃料電池堆加熱到0°C或更高。

如圖10所示，在凍結點下啟動燃料電池系統的方法和系統中，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電而開始加熱到-10℃以下時，膜電極結構的溫度變為0℃以上之前，在電極結構不能發電之前。方法和系統：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。控制燃料電池堆1的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發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。控制燃料電池堆1的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發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。控制燃料電池堆1的輸出，以使燃料電池堆1輸出大于維持發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置于引擎蓋下，鋰電池組占據底盤位置。第3代金屬極板燃料電池繼續降低流道槽深，采用水平波紋逆流進氣形式，實現世界級高功率密度3.1 kW/L。與2008款FCX Clarity燃料電池堆相比，實現體積功率密度增加60%，質量功率密度增加35%（如圖11）。

圖11 本田第3代燃料電池產品

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，以給兩側分別導流氫氣和氧氣，保證電池表面氣體分布均勻。質子膜超薄化以降低電池厚度、強化產物水反擴散性能；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(氣量少導致壓差驅動的排水性能差)，電池甚至可以不用加濕。因此，FCV Clarity燃料電池有望實現氣體凝結前排水、產物水附著流道不再發生、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子膜和擴散層厚度來降低膜電極厚度，實現單電池厚度降低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主要通過降低熱質量、減少膜電極組件面積電阻來提升溫升。質子膜變薄、提高質子膜電導率、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境下的質子膜電阻(逆流實現)。上述措施使電堆在-20℃環境下的電阻降低1/3，提高了啟動性能。降低流道槽深和電池片數實現體積更小重量更輕，電池內冷卻液的體積也減少，這些使得電堆熱質量降低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，發電區域形狀規則化。發電區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，從而實現高速連續生產，大大提高了材料利用率，在膜電極面積相同情況下，質子膜和擴散層使用量降低了40%，提高產量，降低成本。

5 結束語

從整體燃料電池技術路線來看，本田主要進行質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子交換摸、膜電極、雙極板等方面的布局。其技術研發儲備超過20年，總體技術已經趨于成熟。在燃料電池產品方面，車型經歷到第3代產品，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，包括如何實現更高的體積功率密度以及如何增加質量功率密度。低溫環境下的啟動性能、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，也將成為其持續性的改進熱點。

國內企業進行燃料電池技術研發時，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，吸取一些經驗教訓。