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格力电器燃料电池相关专利介绍

作为空调领域的龙头企业,格力电器同样在燃料电池领域有一定的技术创新。经专利数据库检索,截止2021年3月10日,格力电器在燃料电池领域公开的相关专利共计115件。

格力电器以空调产业为支柱的同时,大力拓展智能家居、智能装备、新能源技术等多项产业,2018年年报将新能源产业拓展上升到公司发展战略层面,而燃料电池作为新能源产业中的一员,自然也受到了格力的重视。值得一提的是,格力燃料电池相关专利申请最早开始于2019年第一季度,该时间节点也与格力发展规划相吻合。另外,经专利发明人统计,目前格力在燃料电池技术领域的研发人员共有57人(不代表实际情况)。

在格力专利技术方面,目前格力电堆方面的专利主要涉及双极板结构改进与制备、质子交换膜与膜电极制备、电堆结构改进等;在动力系统方面,格力主要改进了燃料电池用DC/DC和备用电源控制等;在热管理方面,格力从双极板结构设计、电堆结构设计、散热器设计、系统检测与控制层面全方面地改进了燃料电池散热性能,确保燃料电池发电性能;另外,格力在燃料电池空压机技术上也有较多的创新。

在燃料电池应用方面,格力专利中提及到三种场景,包括直流微网系统、家用热电联供系统、空调外机,主要涉及小功率电堆。

关于直流微网系统方面,格力主要是利用燃料电池发电保证直流微网系统稳定运行。格力目前在全国重点区域集中实施了直流示范项目,整合了国网南网及建筑院所的产学研用资源,特别是在山西大同开展了能源革命排头兵展示馆项目,全力打造全直流微网。关于家用热电联供系统,格力主要将燃料电池的余热供给家庭使用、并将燃料电池发电电力用于家庭供电,该应用场景与格力宣传的“零碳生活、绿色世界”相吻合。关于空调外机场景的使用,格力将燃料电池集成在空调外机内,可解决移动式空调用电高峰电力供应不足的问题。

01  格力电器双极板相关专利

格力双极板的主要类型为金属双极板,大部分双极板用于水冷型电堆,少数双极板用于风冷型电堆。在格力早期申请的双极板专利中,有采用将冷却水入口设置在极板中心位置处的设计,以更好地对极板中央反应区域进行冷却,具体极板结构可参见下图。

在通过双极板结构优化改善冷却液流动以及促进排水方面,专利CN201911093404.9通过使相连接的极板的冷却流道沿冷却液流动方向对称设置,且其交叠区域重合,同时优化气体流道与冷却液流道的宽度比,来降低冷却液流动时的流阻,降低燃料电池的寄生功率;专利CN202010238488.7通过一面设置蛇形气体流道,一面设置直线型、弧形或折线形的冷却流道,来改善排水性能和降低冷却液的流动阻力。

在通过双极板改善气体分配均匀性、提高燃料电池发电性能方面,专利CN202010047839.6公开了在阴极板中间设置有多条平行波浪形流道以及在阳极板中间设置多条平行直流道来使氢气和氧气在流场中流动更加均匀,使反应更加充分;专利CN202010573255.2公开了通过设置多个氢气、氧气进口和出口,并将进出口与相应流道连通,来解决了“三进三出”(1个氢气进气口、1个氧气进气口、1个冷却水进水口,对应3个出口)双极板中由于单一进出口结构而导致气体分配不均的问题。

在提高电堆功率密度方面,专利CN201910728860.X公开了在极板上形成两个活性区域,且两个活性区域共用一个非活性区域,从而提高了活性区域的占比以及非活性区域的利用率,使燃料电池结构更加紧凑,提高了电池功率密度。

另外,格力专利CN202010287280.4还公开了一种用于无人机、小型备用电源或小功率燃料电池系统的风冷电堆用双极板,该双极板结构如下图所示,包括阴极板和阳极板,其可形成直流道流场,采用高速硬模冲压形成,密封采用激光焊接。

格力其他双极板专利一览

总体而言,格力双极板的技术改进主要涉及以下方面:改善气体的分布均匀性、改善冷却液的流动、改善生成水的排出、提高电堆功率密度、提高双极板可加工性和减少制造成本等。

02  格力电器电堆结构相关专利

在电堆结构方面,格力的改进主要集中在提高电堆功率密度、热交换性能以及改善气体分布不均衡等。例如,专利CN201910439773.2公开了一种紧凑型燃料电池结构,两个并联的子电池共用一个阳极板,其中第一阳极气体槽道13、第二阳极气体槽道14的阳极气体可以互通,利用阳极板双侧的供气可同时满足两个膜电极的气体消耗;专利CN202021655343.9通过第一内壁部21的结构增大气体流通通道2的流通面积,使气体的分配更加均匀,提高电堆的工作效率。

另外,格力还公开了两种风冷型电堆,如专利CN201910672211.2公开的电堆中,膜电极和单极板在电池单元叠置方向间隔交错设置,每一单极板的两侧分别形成阳极气体槽道和阴极气体槽道,相比于现有常规金属双极板燃料电池结构,该电堆厚度能大约降低一半,极板两侧分别为阳极气体和阴极气气体的流动空间。专利CN202020377026.9中电堆增加了进风区域面积,形成了更加均匀的进风结构,有利于提高阴极反应气体传质、提高阴极反应气体流量、降低其流动阻力等。

03  格力电器热管理相关专利

在燃料电池热管理方面,格力公开的专利既涉及风冷型电堆,也涉及到水冷型电堆。在风冷型电堆热管理上,专利CN202011257507.7通过在电堆和风机之间设置可变散热风道,利用控制器调整可变散热风道上多个散热子风道的开启数量或关闭数量,来实现对电堆的精准控温。

在水冷型电堆热管理方面,专利CN202010833148.9通过利用高压氢气降压降温,通过换热器释放冷量,将冷量送入冷凝器中,来为空压机出口空气降温,同时对燃料电池进口空气温度进行控制,解决了燃料电池进口空气温度过高的问题。专利CN202011085521.3公开了一种散热装置,其导热件可贴合于极板,可将极板的热量传导至散热装置。散热装置还包括翅片,翅片越接近极板中心位置处其导热面积越大,可加快对极板中心位置的散热,防止中心位置热量集中的问题。

专利CN202011249473.7为确保燃料电池温度不超过其损坏阈值,提供了一种温度控制方法。通过监测燃料电池功率和电压变化,计算出所需的冷却液流量,并直接调整对应目标驱动装置,使得冷却液流量可随工况变化及时、迅速地作出调整,避免因温度测量延迟特性导致燃料电池内部温度超过允许值。专利CN202011255952.X针对现有大功率燃料电池降温效果较差的问题,提出了一种温度控制方法。当温度传感器测得燃料电池内部温度大于设定阈值时,可通过降温子系统,利用系统中的风扇对纯水进行冷却处理;同时调整水泵运转频率,提升水流速度对纯水进行降温,以实现快速降温。专利CN202011356244.5在电堆一侧设置散热装置,该散热装置包括混合腔,通过利用混合腔对散热通道内的冷却介质及混合腔内的冷却介质进行混合,由于混合腔冷却介质的温度低于散热通道内冷却介质的温度,从而无需借助外接耗电散热器件对燃料电池内的冷却介质进行循环,有效提高了燃料电池的电能利用率、减少了燃料电池体积。

总体而言,格力关于电堆热管理方面的改进主要包括提升散热性能,维持电堆温度适宜以其发挥最大性能,减少散热装置带来的电能损耗以及减少燃料电池系统体积等。

04   格力电器燃料电池应用相关专利

在燃料电池应用方面,目前格力申请的专利主要涉及直流微网系统、家用热电联供系统以及空调外机等。

例如,专利CN202020330699.9中提及了使用氢能燃料电池发电保证直流微网系统长时间、稳定、高效和绿色运行。

专利CN202020515628.6公开了一种家用热电联供系统,其中蓄热模块能够回收燃料电池的废热,并将热能提供给家庭使用;储能模块能够接收并存储燃料电池的电能;直流供电模块能够将燃料电池和储能模块提供的电能输送给家庭用电设备。

专利CN202021427896.9公开了一种空调外机,燃料电池设置在空调外机壳体内,燃料电池和外机换热器共用一个风机,该风机引导的气流可分别与燃料电池、外机换热器进行换热,减少了系统结构部件,降低了系统结构复杂程度。如当外机运行在制热模式时,外机风扇反向转动,室外空气先流经空冷燃料电池后再流经外机换热器,使得空气被燃料电池加热后再流经外机换热器,有效地将空冷燃料电池的热量带到外机换热器处吸收。通过利用燃料电池的余热给室内供热,进一步提高了燃料电池的能量综合利用率。

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