阴极闭式空冷燃料电池专利布局

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事件背景

2023年5月5日，上海满电未来智能科技有限公司“永久出行”在第31届中国国际自行车展上，品牌运营商以自主研发的旅游创新氢能两轮车产品亮相，宣布正式进入氢能应用领域。该公司表示，氢电两轮车配备了世界领先的固态储氢技术，采用了行业先进的阴极闭式空冷金属双极板燃料电池和热管理系统。

鉴于氢能行业的不断发展，越来越多的公司从事氢能和燃料电池行业，投资者越来越关注相关公司在行业中突破的技术瓶颈和由此产生的企业核心竞争力。因此，许多人对公司强调的阴极闭冷双极板燃料电池和热管理系统感兴趣，了解它是否是一个重要的技术突破，具有投资价值。 

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先进的专利和技术分析

作者从万方数据库出发“阴极闭式空冷燃料电池”专利搜索核心搜索词，发现布局阴极闭式空冷燃料电池的企业如图2所示。可获得两个信息：

1）相关专利的发布日期非常新；这表明燃料电池作为氢能行业的主要应用场景之一，已经从水冷电堆系统扩展到风冷电堆系统。一般来说，水冷电堆系统功率大，适用于乘用车和商用车。风冷系统功率小，适用于双轮车、三轮车、观光车、无人机、小功率无人船等系统。

2）目前，捷氢科技、亿华通等龙头燃料电池企业尚未在相关领域进行专利布局，表明传统水冷燃料电池系统企业具有固定的发展惯性，不易拓展风冷燃料电池相关业务。因此，捷氢科技、亿华通等龙头企业也可能出现在风冷燃料电池领域。

图2阴极闭式空冷燃料电池专利布局企业

图3显示了阴极闭式风冷燃料电池的实现原理。如图所示，阴极闭合燃料电池主要通过两种方式实现。方案1是将传统的双极板分为阴极板和阳极板，并在阴极板（氧还原反应的加热区）或阴极板和阳极板背面增加散热区；方案2是将导热材料与双极板连接，将导热材料导出到散热系统。

 图3两种阴极闭口燃料电池的实现方法

传统的开放式风冷燃料电池系统一般结合阴极反应气体的供应和散热，导致两个问题：第一个问题是散热所需的风量远远大于阴极反应气体所需的风量，导致燃料电池的膜电极容易干燥，不易在最佳工作状态下运行，降低电池性能，降低氢利用率；第二个问题是风扇静压低，一般来说，传统的风冷燃料电池系统不会增加导致大压降的空气过滤设备。如果当地空气质量不好，大量未经处理的低质量空气直接吹到膜电极表面，这将显著降低燃料电池系统的使用寿命。

因此，相关专利表明，阴极闭式空冷燃料电池系统主要有以下两个优点：第一个优点是电堆散热和反应气体供应分开，有利于维持燃料电池运行膜电极内的水，使燃料电池性能保持在最佳状态，提高燃料利用率。此外，与开放式系统相比，第二个优点是封闭式系统可以使用制备空气或氧气作为反应气体供应源，避免污染空气对燃料电池寿命的不利影响。

如果封闭式风冷燃料电池不能使用制备空气或氧气作为反应气体的供应源，则无法实现其避免污染空气对燃料电池寿命产生不利影响的优点。此外，如图4所示，闭式风冷燃料电池用阴极板和阳极板代替双极板，大大降低了燃料电池电堆的功率密度。此外，闭式风冷堆系统分离了散热和阴极反应气体的供应，使散热系统和阴极反应气体的供应系统分别需要相关的动力设备，从而增加了系统的复杂性和系统的采购成本。然而，如果考虑将电解水系统产生的纯氧作为闭式风冷燃料电池的燃料，则充分展示了闭式风冷燃料电池性能稳定提高和寿命提高的优点，因为燃料电池在纯氧条件下的性能远高于空气条件下的性能。综上所述，笔者认为，闭式风冷燃料电池的技术难度不高，没有明显的技术瓶颈。当系统使用当地空气作为反应气体供应源时，还需要仔细考虑其收入是否大于成本。

图4开闭风冷燃料电池组装示意图

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产业发展趋势

2021年10月，濮耐股份以1080万元转让平阳谋和股权投资合伙企业(有限合伙)21.6%的LP份额，间接投资攀业氢能。2022年2月28日，佛山攀业氢能有限公司中标佛山市南海区丹灶镇广仁旅游文化发展有限公司发布的仙湖氢谷特色镇氢交通示范运营服务项目，共603.51万元，包括70辆氢能共享双轮车、2艘氢能船、1辆氢能环卫车、1套储加注一体化撬装置及相关运营服务。濮耐股份于2023年3月6日发布公告，计划增加攀业氢能3000万元的投资。

2022年，斗山创新推出DT30N氢燃料电池多旋翼无人机平台，完成单程60km飞行和往返30km巡检，实现超视距长寿命燃料电池无人机突破。永安行氢能自行车Alpha系列上市于2022年9月28日宣布。2023年3月18日，永安行继续发布微型太阳能制氢一体机，首次解决用户充氢痛点问题。该公司表示，2023年将陆续推出Beta系列和Gama系列氢能自行车。2023年4月30日，2023U.I.M.F1摩托艇世界锦标赛中国郑州大奖赛期间，中国第一艘氢能竞赛原型动力艇在郑东新区龙湖水域下水，成功首航。

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总结

燃料电池按冷却方式可分为水冷燃料电池系统和空冷燃料电池系统。水冷燃料电池系统额定功率更高，结构和控制更复杂，但起步更早。虽然许多水冷燃料电池系统制造商经过多年的发展和成功的示范运行，但根据作者参与的国家重点研发项目，甚至水冷燃料电池系统龙头企业在动态响应、实际运行条件、运行稳定性、严格的环境耐受性等方面仍有很大的进步空间，迫切需要技术突破来促进其进一步的推广应用，技术研究的细节是相关企业的宝贵财富和沉淀价值。

滴滴氢能在春雨中滋润燃料电池行业，使其茁壮成长。在此背景下，燃料电池行业逐渐从乘用车、商用车的大功率水冷堆系统扩展到无人机、叉车、自行车等小功率风冷堆系统。其中，双轮车以共享的形式推出，避免了早期高昂的购买成本。毫无疑问，这对缓解氢是危险化学品的传统认知，增强氢是能源系统新认知的一部分起着重要作用。由此产生的巨大市场前景非常富有想象力，因此也赢得了资本的青睐。

传统的开放式风冷堆系统具有操作参数不易控制、堆最佳性能不易维护、缺乏有效过滤寿命受工作环境影响等明显缺点，系统结构和控制策略简单，不易形成技术护城河，相关公司的优势在于保湿膜电极设计、完整的生产线和积极的上下游关系。然而，如果未来双轮车产品中使用的闭式风冷燃料电池系统能够与电解水产生的纯氧一起供应反应气体，就有潜力解决传统开放式风冷燃料电池系统运行参数难以控制、寿命受运行环境影响较大的问题。在此基础上形成的系统结构和控制策略有可能成为公司的技术护城河。