基于專利分析的小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究

王秀林，隋依言，侯建國，鄭 珩，張雨晴，張新波，宋鵬飛，張 瑜

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 工業(yè)排放氣綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225）

近年來，隨著碳減排壓力不斷增大及雙碳目標(biāo)的提出，氫能作為一種綠色、低碳的清潔能源越來越被大家認(rèn)可和重視，而交通領(lǐng)域是氫能應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)[1-4]。截止2022 年底，全球累計(jì)建設(shè)加氫站814 座，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)已建設(shè)的加氫站中，約15%的加氫站采用站內(nèi)制氫的方式[5-7]。站內(nèi)制氫方式可以節(jié)省氫氣的儲運(yùn)環(huán)節(jié)及中間成本[4-10]，使氫氣終端價(jià)格降低15%～20%。站內(nèi)制氫技術(shù)主要包括天然氣制氫、電解水制氫和甲醇制氫等[7-9]。

加氫站進(jìn)行小型站內(nèi)天然氣制氫可應(yīng)用目前成熟的天然氣輸配網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地解決現(xiàn)階段氫氣儲運(yùn)成本較高的問題[10-17]，鑒于此，在沒有開發(fā)出更高效經(jīng)濟(jì)的氫氣儲運(yùn)技術(shù)之前，在加氫站內(nèi)進(jìn)行天然氣制氫將是現(xiàn)階段最經(jīng)濟(jì)的制氫方式之一[10]。同時(shí)，由于加氫站通常建設(shè)在城市周邊，因用地限制和安全要求，也對站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[18-24]。將傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)進(jìn)行簡單的小型化無法滿足站內(nèi)制氫的實(shí)際要求，需要從工藝系統(tǒng)優(yōu)化、催化劑研發(fā)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文通過研究小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)相關(guān)專利，分析重點(diǎn)企業(yè)的研究狀況及技術(shù)路線，解讀重點(diǎn)專利，闡述小型站內(nèi)天然氣制氫存在的問題和未來發(fā)展方向，研究成果可有效指導(dǎo)我國小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究方向，為我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)技術(shù)力量。

1 技術(shù)趨勢分析

1.1 專利申請趨勢

對Patsnap數(shù)據(jù)庫中1970年以來美國、歐洲、日本、韓國和中國等126 個(gè)國家或地區(qū)的專利進(jìn)行了檢索和篩查，選擇1265 條相關(guān)專利進(jìn)行了重點(diǎn)分析，研究了小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢。

小型站內(nèi)天然氣制氫專利申請趨勢和技術(shù)生命周期曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 專利申請趨勢Fig.1 Trend of patent application

圖2 技術(shù)生命周期曲線Fig.2 Technology life cycle curves

從技術(shù)可持續(xù)發(fā)展性和技術(shù)開發(fā)量角度分析，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的專利申請數(shù)量在2005 年最多，這個(gè)階段以液態(tài)空氣喬治斯克勞帝方法研究開發(fā)股份有限公司為代表，研究重點(diǎn)在于小型站內(nèi)天然氣制氫的氫氣提純、凈化的技術(shù)領(lǐng)域。從技術(shù)開發(fā)生命周期角度分析，技術(shù)研發(fā)周期曲線呈現(xiàn)盤旋狀態(tài)，現(xiàn)階段技術(shù)研發(fā)仍處于萌芽期階段，各研究單位仍在探究更優(yōu)的解決方案。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

從近30 年的5000 條專利中提取語義關(guān)鍵詞繪制了小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新詞云圖和旭日圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.3 Creative words cloud map of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

圖4 小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)旭日圖Fig.4 Sunburst chart of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的關(guān)鍵開發(fā)方向是蒸汽重整工藝，其次是反應(yīng)器等設(shè)備研發(fā)和催化劑研究，說明國內(nèi)外商業(yè)化主流的小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)工藝路線主要為“天然氣蒸氣重整+一氧化碳變換+變壓吸附提純”?，F(xiàn)階段小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)還存在系統(tǒng)占地大、轉(zhuǎn)化爐高度影響加氫站周邊環(huán)境、副產(chǎn)水蒸氣無使用場景、蒸氣系統(tǒng)控制復(fù)雜和整套系統(tǒng)啟動時(shí)間長等問題，因此，解決上述問題是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的研究重點(diǎn)。所謂小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)并不簡單是成熟的大型天然氣制氫的小型化，需要在工藝流程設(shè)計(jì)、新型天然氣重整反應(yīng)器設(shè)計(jì)、催化劑升級、系統(tǒng)3D設(shè)計(jì)和能量循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

2 申請人分析

2.1 申請人排名

近30 年小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)主要申請人專利申請數(shù)量及主要申請人專利申請趨勢分別如圖5 和圖6 所示，該領(lǐng)域全球技術(shù)開發(fā)量排名前10的主要的技術(shù)研發(fā)公司，全為國外企業(yè)。

圖5 主要申請人近30年專利申請數(shù)量Fig.5 Amounts of patent application by major applicants in recent 30 years

圖6 主要申請人近30年專利申請趨勢Fig.6 Trends of patent application by major applicants in recent 30 years

國外企業(yè)在該領(lǐng)域占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢，研發(fā)的時(shí)間較早，也說明我國在小型站內(nèi)天然氣制氫的技術(shù)研發(fā)的專利總量上還有差距。

2.2 主要申請人地域分布

申請人的地域分布如圖7 所示，目前主要申請人重點(diǎn)在美國、歐洲和日本進(jìn)行相關(guān)專利布局。

圖7 申請人地域分布Fig.7 Geographical distribution of patent applicants

同時(shí)如法國液化空氣集團(tuán)等龍頭企業(yè)也在我國進(jìn)行了技術(shù)布局，但數(shù)量不多。這和我國小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)工業(yè)化還未成熟有一定關(guān)聯(lián)，但同時(shí)也說明我國本土市場的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2.3 申請人技術(shù)專利集中度分析

使用最新的5000 條專利繪制小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的領(lǐng)域地圖如圖8 所示，對應(yīng)格子數(shù)量為每家企業(yè)的專利覆蓋率，每個(gè)格子代表的專利數(shù)量相同。由圖8 可知，小型站內(nèi)天然氣制氫是主流的技術(shù)手段，其次催化劑研發(fā)、合成氣分離提純和反應(yīng)器優(yōu)化也都是主流研發(fā)方向。但沒有任何企業(yè)將技術(shù)領(lǐng)域地圖的格子全部占滿，即沒有任何企業(yè)在某個(gè)技術(shù)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)完全的壟斷，因此這對于企業(yè)技術(shù)研發(fā)是一個(gè)機(jī)會，說明小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)沒有被某一家企業(yè)所壟斷。

圖8 技術(shù)領(lǐng)域地圖Fig.8 Technology domain map

技術(shù)專利集中度分析如圖9 所示，近幾年技術(shù)專利集中程度較高，基本維持在80%左右，代表著參與研發(fā)的主體以大型企業(yè)和高校為主，中小型企業(yè)參與程度不高，導(dǎo)致技術(shù)保有量主要集中在少數(shù)企業(yè)和高校手中。

圖9 技術(shù)專利集中度分析Fig.9 Patent concentration analysis

從技術(shù)研發(fā)方向和態(tài)勢分析，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研發(fā)主要集中在工藝優(yōu)化上，其次是對催化劑和核心反應(yīng)器的優(yōu)化，說明天然氣制氫裝置的小型化、橇塊化需要對天然氣制氫成套技術(shù)的工藝流程、催化劑配方、轉(zhuǎn)化爐和控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并有針對性的對各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

3 專利申請地域布局及趨勢分析

3.1 專利申請地域布局分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)來源地域分布和技術(shù)應(yīng)用地域分布分別如圖10 和圖11 所示（百分?jǐn)?shù)為專利申請占比，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為專利數(shù)量），其不僅能夠表示該技術(shù)在不同國家和地區(qū)的發(fā)展程度，也能夠反映出該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的市場分布。由圖10 和圖11 可知，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)來源排名由多到少是：美國、日本、法國和中國；技術(shù)應(yīng)用排名由多到少是：日本、美國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織和中國。

圖10 技術(shù)來源地域分布Fig.10 Distribution of technology source areas

圖11 技術(shù)應(yīng)用地域分布Fig.11 Distribution of technology application areas

在技術(shù)的來源上，美國排名第一；在技術(shù)的應(yīng)用上，日本排名第一；中國在技術(shù)來源上占比為7.89%，在技術(shù)的應(yīng)用上占比為10.93%，說明我國的應(yīng)用技術(shù)有很大一部分是其他國家開發(fā)的，或我國引進(jìn)了大量國外技術(shù)。

3.2 專利申請地域趨勢分析

技術(shù)來源趨勢和技術(shù)應(yīng)用趨勢分別如圖12 和圖13所示，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專利數(shù)量顯示出逐漸遞增的趨勢，并且一直很活躍。主要技術(shù)來源及技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢基本一致，說明大部分技術(shù)研發(fā)國也是技術(shù)應(yīng)用國。而我國的技術(shù)研發(fā)數(shù)量低于技術(shù)應(yīng)用數(shù)量，說明我國沒有足夠的技術(shù)開發(fā)，但我國市場對相關(guān)技術(shù)的需求多，有部分海外企業(yè)在我國進(jìn)行了技術(shù)布局，說明我國未來也是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的重要市場。

圖12 技術(shù)來源趨勢Fig.12 Technology source trend

圖13 技術(shù)應(yīng)用趨勢Fig.13 Technology application trend

3.3 典型地區(qū)專利流向分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)在中國、美國、歐洲、日本和韓國5個(gè)典型地區(qū)的技術(shù)來源情況和市場布局情況如圖14所示。

圖14 中國、美國、歐洲、日本和韓國的市場布局Fig.14 Market layout of China,the United States,Europe,Japan and South Korea

圖15 中國各省市專利申請分布Fig.15 Distribution of patent applications in various provinces and cities in China

整體上看，美國和日本在技術(shù)數(shù)量上占據(jù)絕對的領(lǐng)先地位，而5 個(gè)地區(qū)均有技術(shù)布局在美國和日本兩地。相比而言，我國的海外布局基本未見，只有美國和日本在我國均進(jìn)行了少量技術(shù)布局。

3.4 中國各省市小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專利市場布局

我國各省市小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專利申請分布及申請趨勢分布情況分別如圖16和圖17所示，專利申請主要集中在廣東、北京、遼寧、河南、上海和四川，而小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研發(fā)高潮興起于2006年。

圖16 中國各省市專利申請趨勢Fig.16 Trends of patent application in various provinces and cities in China

圖17 功效矩陣圖Fig.17 Efficiency matrix diagram

4 重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢分析

4.1 功效矩陣分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)功效矩陣圖如圖17所示。由圖17 可知，氫氣提純方面的技術(shù)專利較多，其次是制氫系統(tǒng)熱量平衡設(shè)計(jì)和提高制氫反應(yīng)效率，而在降低成本方面的專利相對較少。

4.2 發(fā)展趨勢分析

近5 年和近10 年的小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)創(chuàng)新詞云圖如圖18 和圖19 所示，分析小型站內(nèi)天然氣制氫的技術(shù)發(fā)展趨勢，可知在近10年的研究發(fā)展中，天然氣蒸汽重整技術(shù)一直是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的主要工藝。由于重整反應(yīng)需要在高溫高壓下進(jìn)行，催化劑的穩(wěn)定性、反應(yīng)器的耐壓性等方面相比于成熟的大型天然氣制氫技術(shù)需要得到進(jìn)一步的提升。此外，針對于燃料電池車加注用氫氣還需要解決氫氣的分離、純化等問題，并確保制氫效率和安全性。近10 年相關(guān)主要研究熱點(diǎn)未發(fā)生明顯變化，說明該技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)仍未被攻克，一直是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究領(lǐng)域的主要發(fā)力點(diǎn)，而在小型站內(nèi)天然氣制氫設(shè)備和材料研究方面，重整反應(yīng)器則一直是最熱門的研究領(lǐng)域。

圖18 近5年技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.18 Cloud map of technological innovation words in recent 5 years

圖19 近10年技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.19 Cloud map of technological innovation words in recent 10 years

5 結(jié)論及建議

通過檢索分析近30 年國內(nèi)外小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專利現(xiàn)狀，從技術(shù)構(gòu)成及發(fā)展趨勢、申請人及專利區(qū)域布局等方面研究了該技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，并通過分析重點(diǎn)專利技術(shù)功效闡述了該技術(shù)未來發(fā)展方向，得出以下主要結(jié)論。

（1）現(xiàn)階段小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究重點(diǎn)在于工藝流程、重整反應(yīng)器、催化劑、系統(tǒng)集成與控制、純化和熱量平衡設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

（2）我國對于小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)需求量較高且本土市場體量較大，但從技術(shù)研發(fā)的角度，美國和日本在該技術(shù)領(lǐng)域仍處于龍頭地位。

（3）在小型站內(nèi)天然氣制氫商業(yè)化的技術(shù)路線上，我國企業(yè)的技術(shù)研發(fā)總量仍相對落后，當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主體主要為體量較大的大型企業(yè)或者高校，中小型企業(yè)參與度低，技術(shù)專利集中度水平較高。但近年來隨著參與該技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的中國企業(yè)不斷增多，相關(guān)成果也將不斷快速落地。

與歐美、日本等地區(qū)相比，我國在小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)領(lǐng)域還存在難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。但同時(shí)，隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)特別是交通領(lǐng)域氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫氣需求量將會顯著增加。站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)相比于其他站內(nèi)制氫技術(shù)生產(chǎn)效率較高，且生產(chǎn)過程和設(shè)備相對簡單，在中短期內(nèi)具有成本優(yōu)勢的同時(shí)也使加油加氣站改擴(kuò)建加氫站更加便捷，具有廣闊發(fā)展前景。隨著小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的不斷成熟和工程化應(yīng)用以及其他站內(nèi)制氫技術(shù)及成本的升級和優(yōu)化，各種技術(shù)之間根據(jù)不同應(yīng)用場景將會相互競爭和合作，可為氫氣產(chǎn)業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇，并有效助力我國氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。