氢能技术发展趋势调研(四)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-07-29 08:54

5.氢能专利技术

以Incopat数据库为专利数据来源,以氢能产业链为数据分析对象,利用关键词和技术分类号组合构建氢能产业检索式:(TIAB=(氢能) OR TIAB=(“HYDROGEN ENERGY”) OR TIAB=(氢 AND “燃料电池”) OR TIAB=(“氢燃料电池”) OR TIAB=(“HYDROGEN FUEL CELL”) OR TIAB=(“氢燃料”) OR TIAB=(“HYDROGEN FUEL”) OR TIAB=(氢 AND “燃料”) OR TIAB=(HYDROGEN AND “FUEL CELL”)) NOT ((PNC=CN AND PT=(“2”)) OR (PNC=CN AND PT=(“3”))) NOT ((IPC-GROUP=(“C10L1”))) NOT ((IPC-SUBCLASS=(“C10G45”))) AND (AD=[19700101 TO 20201231]),申请号合并后,共检索出1970年至2020年相关专利76468件。

5.1 全球氢能专利申请趋势分析

图1 全球氢能专利申请趋势

从全球氢能产业技术专利申请趋势变化可以看出,氢能产业的发展呈波折上升态势,主要表现为缓慢发展期(1997年之前)、快速上升期(1998—2006年)、震荡增长期(2007年之后)三个阶段。

20世纪50年代至90年代,专利技术集中在上游氢燃料制备技术领域且发展缓慢。以美国为代表的欧美国家在20世纪60年代,就制定了多元化的能源政策,鼓励发展由石油和天然气能源体系向以氢为载体的新能源体系的技术研发。

最初氢能主要应用于航天航空领域,自20世纪90年代起,以日、美为主的汽车企业开始对氢燃料电池汽车产生兴趣并着手研发氢能产业中游氢能电池电堆核心技术。1997年,日本丰田发布了第一台氢燃料混动电池车FCHV-1,采用氢燃料电池和镍氢电池混合动力技术,开启了氢能下游应用场景的多元化时代。氢能产业领域吸引了越来越多的竞争者涌入,日本、美国纷纷出台政策大力发展氢能和燃料电池产业。

但是,在之后的示范运营中,出现了许多问题,如氢燃料电池汽车的研发投入高,技术瓶颈无法得到解决,各国政府在新能源汽车车型的发展方向上出现分歧,导致燃料电池发展经历了短暂的低谷期,专利申请量出现回落。随着技术研发人员对燃料电池中的催化剂、膜电极等核心技术的不断突破。2014年起,日本车企丰田、本田和韩国车企现代先后量产并交付商用氢燃料电池汽车,实现了氢燃料电池汽车的商业化,重新掀起了氢燃料电池汽车的研究热潮。氢能领域技术专利申请量恢复逐年增长的态势。

5.2 全球氢能专利申请量分布

图2 全球氢能专利申请人主要国家(地区)分布

 

 

表1 全球氢能专利申请人排名前十位国家(地区)专利统计

申请人

国别

日本 美国 中国 韩国 德国 法国 英国 俄罗斯 加拿大 中国台湾
专利

数量

21483 19108 9021 6184 5688 2296 2179 1821 1127 806

日本氢能专利申请量约占总申请量的28%,以21483件申请量位居第一,可见日本在氢能技术领域占据领先优势的地位;美国申请量为19108件,约占总申请量25%,位居第二,中国申请量9021件,约占总申请量的12%,位于第三位,充分显示出我国在氢能产业技术领域已具备一定的技术基础和研发储备。

5.3 国外主要氢能专利人及其技术代表的发展方向

5.3.1 国外氢能专利主要申请人

图3 全球专利申请人排名

从全球主要申请人分布来看,氢能产业技术全球申请量排名前十的申请人全部为国外企业,其中七家来自日本,两家来自韩国,一家来自德国,且排行榜前三位的丰田、日产和本田均为日本知名汽车企业,再次显示出日本在氢能产业技术领域的领先优势。前十位申请人中,车企共计四家,其余五家即松下、三星、日立、东芝、三菱和西门子均为汽车产业零部件供应商,表明氢能产业中氢燃料电池汽车是其重要领域。

5.3.2 全球氢能产业技术发展分析

氢能产业链技术构成主要包括上游氢燃料的制备、储运两大基础领域;中游氢燃料电池系统以电堆系统和控制系统为重要分支,其中电堆系统主要涉及的关键部件催化剂、质子交换膜、双极板也是技术含量最高、成本最高的零部件,成为中游领域的核心技术;下游氢能应用场景则由交通运输、固定发电、便携式电池、航天领域四大应用组成。

图4 氢能产业链技术专利数量构成

从全产业链来讲,上游产业作为产业的基础,发展时间最早,专利布局数量最多,约占全产业的57%。氢气制备与储运技术领域,全球专利申请量占全产业链申请量的比值分别约49%、7%。可见,制备技术占据着主导地位,也是整个氢能源产业发展的基础技术。

中游专利数量约占专利申请总数的34%。其中,电堆系统专利数量占比约为26%,是整个中游氢燃料电池系统的重要构成,也是各地竞相角逐的关键技术领域;控制系统占比约为8%。电堆系统是氢燃料电池系统成本的最主要来源,由催化剂、质子交换膜、双极板、扩散层、制造工艺、密封等其他零部件,电堆设计与制造七个基本部分组成,其中催化剂、质子交换膜、双极板为核心技术,合计成本占电堆成本的近7 成。催化剂、质子交换膜、双极板的全球专利申请量分别占电堆系统技术分支申请量总比为42%、6%、17%,总占比为65%。可见,催化剂、质子交换膜、双极板的科研创新热点与产业聚集解决的难点相一致,说明技术创新与产业发展相辅相成。催化剂技术中,非铂催化剂生产成本更低,成为车企、高校院所研究的技术热点。质子交换膜技术中,全氟磺酸膜及其复合膜技术较成熟,但非全氟磺酸膜以其具有原料来源广、成本低、温度适应范围宽、环保等特点,是未来的发展方向。双极板技术中,金属双极板占据主体地位,但复合双极板因其兼备小型化、轻质化等优势发展潜力巨大。

下游应用场景布局较少,占比约为9%。重点领域是氢燃料电池汽车的商业化使交通运输成为氢能产业的主流方向。全球与中国均将交通运输作为应用场景的第一要素投入科研力量及资金。其中,日本在交通运输领域的专利申请量占据半壁江山,优势明显。

5.4 国内主要氢能专利人及其技术代表的发展方向

图5 国内氢能专利申请人类型构成

国内氢能专利申请人以企业为主,企业专利申请量约占总申请量的49%,其次是大专院校、个人、科研单位、机关团体等。

5.4.1 国内氢能专利主要申请人

图6 国内氢能专利主要申请人

国内氢能专利申请总量前十名的申请人如上图所示。

5.4.2 国内氢能专利技术分布

图7 氢能产业链技术专利数量构成

国内氢能专利在技术方面的占比与全球技术构成类似,上游产业专利数量约占专利总申请量的57%。制备技术和储运技术相关的专利分别占中国全产业链申请量的比值分别约为48%、9%,说明我国对制备领域的重视和科研投入。

中游专利数量约占专利申请总数的37%。其中,电堆系统专利数量占比约为28%,控制系统占比约为9%。

下游应用专利数量占比约为6%,重点领域是氢燃料电池汽车的商业化。