燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)專(zhuān)利分析

李 昕，彭元亭，曾 輝，譚 波，陳思安

應(yīng)用研究

燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)專(zhuān)利分析

李 昕，彭元亭，曾 輝，譚 波，陳思安

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能燃料電池發(fā)展的核心問(wèn)題，本文對(duì)燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)在中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)申請(qǐng)時(shí)間分布、技術(shù)方向分類(lèi)、主要申請(qǐng)人構(gòu)成、法律狀態(tài)等方向進(jìn)行分析，為該領(lǐng)域研究人員及企業(yè)提供研究態(tài)勢(shì)和發(fā)展思路參考。

燃料電池 儲(chǔ)氫 專(zhuān)利分析

0 引言

新能源是當(dāng)今科技發(fā)展的重點(diǎn)，氫能是一種重要的二次能源，人們對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)利用寄予極大的期望[1～2]。氫資源來(lái)源豐富，通過(guò)燃料電池可以把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)與傳統(tǒng)的燃油發(fā)電機(jī)相比，有高效率、低污染、運(yùn)行噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[3～4]。氫能與燃料電池組配，特別適合用于制成輕量化、便攜式的清潔能源產(chǎn)品，可替代傳統(tǒng)電池及發(fā)電機(jī)，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車(chē)、航空航天、野外作業(yè)等領(lǐng)域。而儲(chǔ)氫技術(shù)是當(dāng)前制約氫能燃料電池發(fā)展的核心問(wèn)題。

儲(chǔ)氫技術(shù)的研究主要有物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫兩個(gè)方向。物理儲(chǔ)氫主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，液態(tài)儲(chǔ)氫，碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫等?；瘜W(xué)儲(chǔ)氫法主要有金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液氫化物儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫等[5]。儲(chǔ)氫技術(shù)的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是儲(chǔ)氫密度、充放氫速率、充放氫的可逆性、循環(huán)壽命以及使用安全性等。本文對(duì)國(guó)內(nèi)燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于PATSPAP專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)專(zhuān)利法的相關(guān)規(guī)定，發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公布相比申請(qǐng)日有18個(gè)月滯后期，經(jīng)發(fā)明人要求提前公開(kāi)也需要6～8個(gè)月[6]，因此2021年申請(qǐng)數(shù)據(jù)還未公布，為便于統(tǒng)計(jì)分析，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截止時(shí)間定于2020年12月。

1　技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

圖1是1988～2020年期間我國(guó)氫燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)。在1988～1999年期間，儲(chǔ)氫技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量屈指可數(shù)，這期間國(guó)內(nèi)科研基礎(chǔ)薄弱，研究者們對(duì)燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)注度不高。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著能源問(wèn)題的日益突出，國(guó)家的戰(zhàn)略重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向可再生能源方向，氫能技術(shù)被列入《“十五”科技發(fā)展規(guī)劃》，受政策影響，2000～2010年間，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)處于平穩(wěn)增長(zhǎng)期，中國(guó)政府對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)的支持力度加大，促進(jìn)了該技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利產(chǎn)出。2011年至今，儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，政府相繼發(fā)布了《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016～2030年）》《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》等頂層規(guī)劃[7]，促進(jìn)了我國(guó)企業(yè)在儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域投入大量的人力和物力進(jìn)行研發(fā)工作，儲(chǔ)氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到飛速的發(fā)展。

可以看出，儲(chǔ)氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量變化趨勢(shì)與國(guó)外趨勢(shì)大體相同，最大的區(qū)別在于中國(guó)的氫能技術(shù)自2000年才開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展期，落后其他世界大國(guó)接近20年，因此國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，技術(shù)積累相對(duì)落后。在國(guó)家相關(guān)政策的支持與引導(dǎo)下，近十年里國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展迅速，與國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的差距不斷縮小，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)可以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但不可否認(rèn)的是，我國(guó)在該領(lǐng)域整體技術(shù)水平還處于落后狀態(tài)，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)的關(guān)注和科研力度還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量的時(shí)間分布

2　技術(shù)方向分析

圖2是我國(guó)儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的技術(shù)方向分析，按IPC分類(lèi)號(hào)對(duì)申請(qǐng)的專(zhuān)利進(jìn)行分類(lèi)。從圖2可以看出，該領(lǐng)域主要技術(shù)方向包括：燃料電池（H01M8）、氣體或液體的貯存或分配（F17）、氫/含氫混合氣/從含氫混合氣中分離氫/氫的凈化（C01B3）、一般車(chē)輛（B60）、發(fā)電/變電或配電（H02）、電極（H01M4）、電解或電泳工藝/其所用設(shè)備（C25）、一般的物理或化學(xué)的方法或裝置（B01）、超微技術(shù)（B82）、碳及其化合物（C01B31）、冶金/黑色或有色金屬合金/合金或有色金屬的處理（C22）、堿金屬、堿土金屬、鎂或鈹?shù)臍渑鸹锏闹苽洌–01B6）等。對(duì)申請(qǐng)專(zhuān)利的技術(shù)方向進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，與主要儲(chǔ)氫方式相關(guān)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比關(guān)聯(lián)，統(tǒng)計(jì)出目前主要儲(chǔ)氫技術(shù)路線(xiàn)的專(zhuān)利申請(qǐng)情況，如圖3所示。

依據(jù)專(zhuān)利分類(lèi)排序統(tǒng)計(jì)可知，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)依次為有機(jī)液體儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相對(duì)成熟度較高，已經(jīng)得到廣泛使用，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)加氫站主要采用高壓氫瓶，但是較低的體積容量比限制了電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航力的提升，從專(zhuān)利申請(qǐng)量可以看出該技術(shù)的關(guān)注度不如其他儲(chǔ)氫方向。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有較高的儲(chǔ)氫密度，適用于航天航空領(lǐng)域，但是高成本、高能耗的使用條件應(yīng)用于民用產(chǎn)業(yè)的難度較大。固態(tài)儲(chǔ)氫在儲(chǔ)氫密度上優(yōu)勢(shì)明顯，但還需要解決充放氫溫度高以及循環(huán)性能差的問(wèn)題，專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在儲(chǔ)氫材料以及應(yīng)用方面，復(fù)合氫化物是近年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)，是最近幾年以來(lái)參考吸附原理發(fā)展壯大起來(lái)的一類(lèi)物理性?xún)?chǔ)氫模式，碳的比實(shí)際表面積與微孔實(shí)際有效體積是判斷氫氣吸附作用功能最為重要的2個(gè)影響因素，但是其不足之處是儲(chǔ)氫速率比較緩慢。有機(jī)液體儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫量高、安全性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也需要改善反應(yīng)溫度、脫氫效率、催化劑毒化等方面的問(wèn)題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。

圖2 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量的技術(shù)方向

圖3 主要儲(chǔ)氫技術(shù)方向分析

3　申請(qǐng)人分析

圖4為在燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人情況，從圖中可以看出15位主申請(qǐng)人中有半數(shù)以上均為國(guó)內(nèi)高?；蚩蒲性核?，此外一些知名車(chē)企以及國(guó)內(nèi)新能源科技公司也有很大的貢獻(xiàn)。高校及科研院所是科技創(chuàng)新的主力軍，而國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)也在儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域投入了大量的人力物力，并且獲得了一定數(shù)量的專(zhuān)利積累，說(shuō)明國(guó)內(nèi)企業(yè)在儲(chǔ)氫技術(shù)方面有相當(dāng)程度的技術(shù)積累，為產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

圖4 主要申請(qǐng)人排名

4 法律狀態(tài)分析

從圖5可以看出，統(tǒng)計(jì)的8165件在華專(zhuān)利中，有效專(zhuān)利3610件，占比44.2 %，在審專(zhuān)利1760件，占比21.6 %，失效專(zhuān)利2704件，占比33.1 %。審查中的專(zhuān)利約為總數(shù)量的1/5，說(shuō)明最近兩年有大量的申請(qǐng)人提交了專(zhuān)利審核。失效專(zhuān)利大部分是由于申請(qǐng)人在專(zhuān)利獲得授權(quán)后未能按時(shí)繳納年費(fèi)導(dǎo)致，此外的主要失效原因是申請(qǐng)人未能及時(shí)回復(fù)審查機(jī)構(gòu)針對(duì)在審專(zhuān)利發(fā)出的審查意見(jiàn)，視為撤回申請(qǐng)。儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利法律狀態(tài)說(shuō)明該領(lǐng)域的專(zhuān)利管理存在問(wèn)題，國(guó)內(nèi)應(yīng)著力于提高創(chuàng)新水平以及專(zhuān)利質(zhì)量，對(duì)公布的專(zhuān)利加強(qiáng)后期管理。

圖5 專(zhuān)利法律狀態(tài)構(gòu)成圖

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠陌l(fā)展起步較晚，但是在相關(guān)政策支持和引導(dǎo)下，具有非常積極的發(fā)展態(tài)勢(shì)，但申請(qǐng)量突飛猛進(jìn)的同時(shí)也需要提高創(chuàng)新水平以及專(zhuān)利質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)該領(lǐng)域?qū)＠挠行Ч芾怼Ｓ袡C(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是目前最受關(guān)注的儲(chǔ)氫技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用途徑與商業(yè)前景。從主要申請(qǐng)人分布構(gòu)成可以看出國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)布局的結(jié)構(gòu)已初步形成，以高校及科研院所作為專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)突破，國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)加緊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，企業(yè)和產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，加快國(guó)內(nèi)自主化產(chǎn)業(yè)生態(tài)的打造。

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Patent Analysis of Fuel Cell Hydrogen Storage Technology

Li Xin, Peng Yuanting, Zeng Hui, Tan Bo, Chen Si’an

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2021）09-0027-03

2021-06-07

李昕（1989-），男，碩士，研究方向：燃料電池儲(chǔ)氫技術(shù)。E-mail：276060983@qq.com