基于專利的燃料電池及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究*

張海超，張靜，陳亮，雷孝平

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基于專利的燃料電池及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究*

張海超，張靜，陳亮，雷孝平

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京100038）

本文從專利數(shù)據(jù)角度聚焦電動汽車行業(yè)，對燃料電池領(lǐng)域的總體發(fā)展態(tài)勢、主要研發(fā)機(jī)構(gòu)、技術(shù)生命周期、關(guān)鍵分支技術(shù)和技術(shù)功效等方面進(jìn)行分析。燃料電池專利技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入成熟期，日本占據(jù)領(lǐng)先地位。我國專利申請量逐年上升，企業(yè)應(yīng)做好專利布局。燃料儲備技術(shù)短時間內(nèi)沒有較好的技術(shù)突破口，我國企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)可以加大對燃料儲備的檢測技術(shù)和安全性研究。

燃料電池；電動汽車；燃料儲備；專利分析；發(fā)展態(tài)勢

1 引言

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，最大的優(yōu)點是不受熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，CO、CO2、SV2、NOX及未燃盡的有害物質(zhì)排放量極低[2]。美國、中國、歐洲、日本、韓國等國家和地區(qū)在燃料電池研究領(lǐng)域投入大量研究和政策資金支持，全球有上千家企業(yè)和機(jī)構(gòu)投入巨額資金進(jìn)行燃料電池的研究和商業(yè)化工作[3]。2009年，美國在實施經(jīng)濟(jì)刺激計劃中用于可再生能源和提供能源效率的資金高達(dá)168億美元，其中20億美元用于先進(jìn)電池；2012年，美國國會重新修訂氫燃料電池政策方案[4]；2007年，歐洲議會主席提出“到2025年在各行業(yè)各領(lǐng)域形成不同的氫燃料電池技術(shù)”，并且《歐盟第七研發(fā)框架計劃》支持氫燃料電池技術(shù)的研發(fā)費(fèi)超過37億人民幣[5]；自2007年開始，日本實施名為“發(fā)展新一代汽車和燃料計劃”，截至2012年，日本政府支持新一代車輛動力系統(tǒng)和燃料的費(fèi)高達(dá)2 090億日元[6]；20世紀(jì)50年代，我國就開展了燃料電池方面的研究，在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)方面取得許多突破，確定燃料電池汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車車型為“三縱”[7]。但與全球燃料電池行業(yè)發(fā)展相比，我國燃料電池行業(yè)目前仍呈現(xiàn)“小產(chǎn)業(yè)、小企業(yè)”的局面[8]。2012年，國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，規(guī)劃所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車。各地方逐步開展新能源汽車試點工程，試點示范區(qū)集中在公交、出租、公務(wù)、環(huán)衛(wèi)和郵政等公共服務(wù)領(lǐng)域[9]。

燃料電池的種類相當(dāng)多且分類方式也各有不同。常用的分類方式是按電解質(zhì)性質(zhì)的不同加以區(qū)分，有堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池。直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，由于發(fā)展迅速且具有很大商業(yè)潛力，現(xiàn)已成為獨立的種類，與前面五類燃料電池并列為第六類。

電動汽車是燃料電池的重要應(yīng)用方向，目前電動汽車研制和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括電池、電動機(jī)、電動機(jī)控制、車身和底盤設(shè)計，以及能量管理技術(shù)等，其中前3項是電動汽車的發(fā)展瓶頸[10]。燃料電池作為第三代電動汽車電池，能量轉(zhuǎn)化率、比能量和比功率都高，是理想的車用電池，但目前還存在一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有待突破。

因此，本文從專利數(shù)據(jù)角度聚焦電動汽車行業(yè)，對燃料電池及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總體態(tài)勢分析、主要研發(fā)機(jī)構(gòu)分析、關(guān)鍵分支技術(shù)分析和技術(shù)功效分析，并提出相關(guān)研發(fā)建議。

2 燃料電池專利總體態(tài)勢分析

本文檢索表達(dá)式參考文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]以及專家建議，不僅包括燃料電池本身，還包括與燃料電池汽車相關(guān)的整車架構(gòu)及布置、電動機(jī)及其控制技術(shù)、水循環(huán)及熱管理系統(tǒng)、電子電器、輔助裝置等方面。

數(shù)據(jù)來源為ISTIC專利數(shù)據(jù)庫[13]，檢索結(jié)果涵蓋1986年8月20日—2016年2月24日公開的中國專利，以及1968年11月27日—2016年2月25日公開的國外專利，共得到50 758件專利。

2.1 技術(shù)生命周期分析

一般而言，技術(shù)的發(fā)展有四個階段：萌芽期、成長期、成熟期、瓶頸期。研究繪制燃料電池領(lǐng)域?qū)＠暾垜B(tài)勢，如圖1所示，1964—1997年，全球燃料電池領(lǐng)域?qū)＠鲩L緩慢；從1998年開始，申請量明顯增多，2002年后大幅增長，到2007年達(dá)到峰值。

繪制橫軸為專利申請人數(shù)量，縱軸為專利申請量，數(shù)據(jù)點則代表具體時間的技術(shù)生命周期圖，如圖2所示，可以較為清楚地展現(xiàn)燃料電池領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展階段。從圖2可見，燃料電池領(lǐng)域自1998年開始進(jìn)入成長期，專利申請人數(shù)量和專利申請數(shù)量都開始明顯增長，2005年雖略顯乏力，但2006—2007年又開始更高速的增長；2007年后，該領(lǐng)域進(jìn)入成熟期，專利申請人數(shù)量和專利申請數(shù)量均開始回落，2012年又有回升趨勢。

2.2 專利區(qū)域分布分析

通過申請區(qū)域分布情況，可以了解各國市場規(guī)模及吸引力。從圖3可見，日本專利的申請量遠(yuǎn)高于其他國家或組織，達(dá)到17 543件；日本、美國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）、中國、德國、歐洲專利局（EPO）是燃料電池專利的主要申請區(qū)域，該區(qū)域的申請量超過總量70%。

通過對申請人國別分布分析，可以了解各國對該領(lǐng)域的重視程度以及在該領(lǐng)域的技術(shù)實力，可以看到，日本申請人在該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量為26 929件，約占該領(lǐng)域?qū)＠暾埧倲?shù)的54%，可以看出日本政府和企業(yè)對燃料電池技術(shù)的高度重視；來自美國、德國、韓國的申請人的專利申請數(shù)量分列第2—4位，而該領(lǐng)域的我國申請人所擁有的專利申請量與美、德、韓三國還存在一定差距。

2.3 專利技術(shù)分布分析

根據(jù)國際專利分類（International Patent Classification，IPC）進(jìn)行統(tǒng)計，選取相關(guān)專利數(shù)量最多的前20個IPC小組。

從圖4可見，燃料電池專利的技術(shù)分布主要集中在H01M8（燃料電池及其制造）大組下的若干小組，其中以H01M8/04（輔助裝置或方法，例如用于壓力控制的，用于流體循環(huán)的）和H01M8/10（固體電解質(zhì)的燃料電池）數(shù)量最多。

3 燃料電池研發(fā)機(jī)構(gòu)分析

全球范圍內(nèi)燃料電池領(lǐng)域有超過2 000家專利申請人，其中有55家專利申請人的申請量在100件以上，占燃料電池領(lǐng)域?qū)＠倲?shù)的62%。排名前10的機(jī)構(gòu)申請量占專利總數(shù)的44%。由此可見，燃料電池領(lǐng)域的專利具有集中性。

本文選取該領(lǐng)域的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)，重點研究專利申請量排名前10的機(jī)構(gòu)：日本豐田汽車公司（TOYOTA，7 725件）、本田汽車集團(tuán)（HONDA，3 386件）、日產(chǎn)汽車公司（NISSAN，2 999件）、現(xiàn)代自動車株式會社（HYUNDAI，2 102件）、通用汽車公司（GM，1 569件）、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社（PANASONIC，1 347件）、戴姆勒股份公司（DAIMLER，1 279件）、日本電裝公司（NIPPONDENSO，693件）、博世公司（BOSCH，563件）、日本住友電氣工業(yè)株式會社（SUMITOMO，431件）。其中，日本企業(yè)占6家，處于絕對優(yōu)勢，并且排名第一的日本豐田汽車公司專利申請量遙遙領(lǐng)先于其他企業(yè)。

3.1 機(jī)構(gòu)研發(fā)持續(xù)性分析

通過對企業(yè)專利活動連續(xù)性的分析，可以從一定程度上判斷企業(yè)在該領(lǐng)域的戰(zhàn)略選擇和積淀程度。圖5顯示的是前10家企業(yè)的歷年專利申請活動，圓點代表企業(yè)當(dāng)年在燃料電池領(lǐng)域有專利申請。

10家企業(yè)的專利申請活動從持續(xù)性上可分為四類，第一類：TOYOTA、NISSAN和NIPPONDENSO，從20世紀(jì)70年代開始有較為持續(xù)的專利申請；第二類：GM、PANASONIC和BOSCH，雖然較早出現(xiàn)專利申請活動，但并不連續(xù)；第三類：HONDA和DAIMLER，從20世紀(jì)90年代開始有持續(xù)專利申請，但期間中斷；第四類：HYUNDAI和SUMITOMO，進(jìn)入該領(lǐng)域時間較晚。

3.2 機(jī)構(gòu)技術(shù)集中度分析

由于IPC分類與實際生產(chǎn)并不完全貼合，因此將燃料電池細(xì)化分類為燃料電池系統(tǒng)、燃料電池的布置及安裝、燃料電池類型、燃料電池核心部件和燃料電池關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步對前10家企業(yè)燃料電池專利分布進(jìn)行統(tǒng)計和說明。

從圖6可見，TOYOTA、HONDA、NISSAN、HYUNDAI、GM、DAIMLER這些汽車制造商的技術(shù)分布較為一致，均在燃料電池關(guān)鍵技術(shù)方面申請專利最多，其次是燃料電池核心部件分類。HYUNDAI在燃料電池類型的專利申請量遠(yuǎn)低于其他汽車制造商；DAIMLER在燃料電池核心部件的專利申請量較低；其他4家企業(yè)由于并非汽車制造商，專利分布差異較大。PANASONIC專利申請主要分布在燃料電池類型、燃料電池核心部件、燃料電池關(guān)鍵技術(shù)；SUMITOMO的專利申請則主要集中于燃料電池核心部件。

3.3 機(jī)構(gòu)技術(shù)影響力分析

通過對企業(yè)專利被引量的分析，可以一定程度上反映企業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)的影響力。

從圖7可見，前10家企業(yè)燃料電池領(lǐng)域?qū)＠钠灰?，橫線代表全球?qū)＠骄灰俊Ｇ?0家企業(yè)大部分達(dá)到或超過全球平均水平，其中DAIMLER、PANASONIC、SUMITOMO的篇均被引量突出，均超過1.6件，說明前10家企業(yè)在燃料電池領(lǐng)域的專利具有一定的影響力，質(zhì)量較高。

將燃料電池領(lǐng)域的被引頻次在100次以上的14條專利，作為該領(lǐng)域的核心專利（見表1）。被引頻次較高的專利同族專利數(shù)也較多，同族專利申請國大多集中在美國、歐洲等地區(qū)，專利權(quán)人主要為GM、DAIMLER等大型企業(yè)。

4 燃料儲備技術(shù)分支專利分析

一件專利所屬的專利家族較大，說明專利申請人希望對這件專利所承載的技術(shù)進(jìn)行更加全面的保護(hù)，也就說明該技術(shù)的重要性。本文將擁有10件以上專利家族數(shù)劃為規(guī)模較大的專利家族。在燃料電池專利中，有8 675件專利所屬的專利家族規(guī)模較大，選出比例最高的技術(shù)分支——燃料儲備技術(shù)。燃料儲備技術(shù)分支的專利總數(shù)為1 492件，其中有481件專利屬于規(guī)模較大的專利家族，占總數(shù)的32%。

4.1 燃料儲備技術(shù)重要專利

對技術(shù)分支中重要專利的選取綜合考慮了被引次數(shù)、專利族大小、專利申請日期等若干因素。專利號為US8069885B2的專利被引次數(shù)最高，達(dá)到30次，同時所屬專利家族規(guī)模較大，專利申請時間為2004年，公開時間為2006年，距保護(hù)期結(jié)束尚有近10年時間，正處于技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價值均較高的黃金時期，屬于該技術(shù)分支中較為重要的專利。

該專利的申請人為德國林德集團(tuán)（LINDE）。林德集團(tuán)在物料搬運(yùn)、工業(yè)氣體和配套工程等領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先地位，也是一家大型氫燃料制造商，林德集團(tuán)還與現(xiàn)代自動車株式會社合作研發(fā)燃料電池汽車。該專利的專利聲明主要闡述了一種自給自足、無污染可移動式加氫站。這說明了燃料電池汽車所面臨的一個問題，加氫站的部署和建設(shè)遇到很多挑戰(zhàn)。

4.2 燃料儲備技術(shù)代表性市場主體

在燃料儲備技術(shù)分支有專利活動的市場主體共有218家，但專利申請量超過10件的僅有21家。根據(jù)實際情況，選取專利活動有代表性的4家企業(yè)TOYOTA、HONDA、HYUNDAI、LINDE進(jìn)行分析（見圖8）。

TOYOTA作為電動汽車領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，無論在鋰離子電池還是燃料電池領(lǐng)域都表現(xiàn)突出，在燃料儲備技術(shù)分支的專利申請量也居首位。TOYOTA在2006年達(dá)到申請量高峰，隨后呈下降趨勢；HONDA在燃料電池儲備技術(shù)方面也有大量專利申請，是有力的挑戰(zhàn)者；HYUNDAI在2010年才進(jìn)入該領(lǐng)域，這一時期該領(lǐng)域已進(jìn)入瓶頸期，2010—2012年均有一定數(shù)量的專利申請，且呈上升趨勢。在燃料儲備技術(shù)分支選取的代表性企業(yè)中，LINDE是唯一排名前10的企業(yè)，且非汽車制造商的企業(yè)。但LINDE是關(guān)系到燃料電池汽車的動力源——氫燃料、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)的重要企業(yè)。

利用文本聚類技術(shù)對專利內(nèi)容進(jìn)行分析，以反映其技術(shù)特征。如圖9所示，是上述4家企業(yè)在燃料儲備技術(shù)分支的技術(shù)特征，可以看到，TOYOTA在該領(lǐng)域的技術(shù)研究主要集中在各種氣體方面（反應(yīng)氣體、氧化氣體、氫氣等），燃料電池組、冷卻水等也占一定比例；HONDA在該領(lǐng)域的技術(shù)研究主要集中在三部分：燃料電池系統(tǒng)相關(guān)、儲氫罐和反應(yīng)氣體；由于HYUNDAI的專利數(shù)量較少，在該領(lǐng)域的技術(shù)研究主要在機(jī)械與自動控制方面，包括氫引擎、噴射泵、集成塊、自動輸入、壓力控制等；除提到燃料電池外，LINDE在該分支的特征詞語有反應(yīng)室和加氫站等。

4.3 燃料儲備技術(shù)技術(shù)功效分析

本文對燃料儲備技術(shù)的專利內(nèi)容進(jìn)行深層次分析，利用技術(shù)功效分析能夠識別該技術(shù)的“專利雷區(qū)”和“專利空白區(qū)”，有利于了解燃料電池儲備技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，幫助我國企業(yè)分析競爭態(tài)勢，制定技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略（見圖10）。

燃料電池技術(shù)分支的技術(shù)研究主要集中在燃料電池類（燃料電池、電極、電解質(zhì)）、溫度控制類（冷卻、熱交換）、燃料類（制氫、傳輸氫、儲氫）以及催化劑、水汽分離、氧化劑、通訊顯示等類別。相比其他類別，燃料儲備技術(shù)分支的燃料類（制氫、傳輸氫、儲氫）技術(shù)研究所占比例并不大，大部分技術(shù)研究還是集中在諸如燃料電池、催化劑、溫度控制、通訊顯示等應(yīng)用環(huán)節(jié)。這說明狹義的儲氫目前發(fā)展已較為成熟，短時間內(nèi)并沒有較好的技術(shù)突破口。

該技術(shù)分支的功效研究主要集中在成本、性能、結(jié)構(gòu)、溫度、環(huán)保等方面。從綜合技術(shù)與功效看，溫度是大部分技術(shù)研究要考慮的問題，但燃料儲備技術(shù)中可能會用到的狀態(tài)檢測類技術(shù)（電壓檢測、電流檢測、溫度檢測、壓力檢測、異常檢測）和氫檢測技術(shù)相關(guān)研究均較少，涉及安全功效的研究也較少。

目前燃料電池汽車推行的阻力之一就在于燃料儲備的安全性，而檢測技術(shù)與安全研究均與燃料儲備的安全性關(guān)系密切，如果想進(jìn)一步推廣燃料電池汽車，燃料儲備的安全性需得到更多的重視。

5 結(jié)論與建議

本文對燃料電池及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行專利總體態(tài)勢分析、主要研發(fā)機(jī)構(gòu)分析和分支技術(shù)分析。了解和掌握目前燃料電池領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢、競爭態(tài)勢和技術(shù)機(jī)會，為我國企業(yè)分析制定燃料電池技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略提供幫助。

燃料電池相關(guān)研發(fā)活動繼續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，在2006年申請量達(dá)到頂峰，之后進(jìn)入成熟期。前10家企業(yè)占燃料電池相關(guān)專利申請總量的44%。不同廠商的策略各異，TOYOTA為領(lǐng)軍企業(yè)；HONDA是有力的競爭者；NISSAN疲于追趕；HYUNDAI自成一家，迅速趕上，是重要的新興力量。燃料電池領(lǐng)域?qū)嶋H有價值的專利不超過2萬件?；A(chǔ)技術(shù)的研發(fā)得到眾多企業(yè)的重視，并沒有集中于某一兩家企業(yè)。

針對燃料電池重要分支技術(shù)——燃料儲備技術(shù)，除日本傳統(tǒng)汽車企業(yè)TOYOTA和HONDA占據(jù)重要地位外，韓國HYUNDAI和德國LINDE在燃料儲備技術(shù)方面表現(xiàn)突出。HYUNDAI是該分支的新生力量，LINDE則擁有該分支較為重要的專利。

儲氫、傳輸氫等狹義的燃料儲備技術(shù)短時間內(nèi)并沒有較好的技術(shù)突破口，因此目前該分支以應(yīng)用研究為主。各機(jī)構(gòu)對燃料儲備的檢測技術(shù)和安全性研究較少，鑒于社會各界對燃料儲備安全性的顧慮，檢測技術(shù)與安全性將有較大發(fā)展。

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Research on Development Trend of Fuel Cell and Key Technologies Based on Patent Analysis

ZHANG HaiChao, ZHANG Jing, CHEN Liang, LEI XiaoPing

(Institute of Scientific and Technical of Information of China, Beijing 100038, China)

Focusing on the electric vehicle industry, this paper analyzes fuel cell on the overall development trend, major R&D institutions, technology life cycle, the key branches of technology, and technology efficiency, based on patent data. With fuel cell technology matured, Japan has taken a leading position. China Patent applications increased year by year and our enterprises should be prepared to patent layout. There is no better technical breakthrough in the short time of fuel reserves technology. So our enterprises and research institutions can improve the detection technology and safety research on fuel reserve.

Fuel Cell; Electric Vehicle; Fuel Reserves; Patent Analysis; Development Trend

G350

10.3772/j.issn.1673-2286.2016.8.005

（2016-07-15）

張海超，男，1989年生，研究實習(xí)員，研究方向：專利信息挖掘，E-mail：zhanghc@istic.ac.cn。

張靜，女，1975年生，副研究員，研究方向：專利信息挖掘、技術(shù)競爭情報。

陳亮，男，1982年生，助理研究員，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、專利分析。

雷孝平，女，1979年生，副研究員，研究方向：專利分析、科技情報分析。

* 本研究得到國家科技支撐計劃課題“專利信息資源整合與加工關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)范研究”（編號：2013BAH21B01）和中國科學(xué)技術(shù)信息研究所預(yù)研課題“基于文本內(nèi)容相似性的中文專利侵權(quán)判定方法研究”（編號：YY2016-04）資助。