基于专利分析的国内燃料电池技术发展

基于专利分析的国内燃料电池技术发展作者：刘萍王刚李璋来源：《新材料产业》 2018年第5期一、概述燃料电池（f u e l c e l l）是一种能量转换装置，通过它可以将燃料中储存的化学能转换为电能输出。

因其具有能量转换效率高、环境友好、噪声小、负载响应快速、易于建设及维护、利于回收等优势，引起了全球科学界、企业界，以及政府高度重视。

尤其是国内，在政策对新能源大力支持的情况下，资本纷纷进入燃料电池领域，其发展势头已经超过风能、光伏、锂电池等其他新能源行业[1]。

燃料电池按电解质类型可以分为5类：碱性燃料电池（A F C）一般以氢氧化钾溶液为电解质；磷酸燃料电池（P A F C）以浓磷酸为电解质；熔融碳酸盐燃料电池（M C F C）以熔融的锂－钾碳酸盐或锂－钠碳酸盐为电解质；固体氧化物燃料电池（S O F C）以氧离子导体固体氧化物为电解质；质子交换膜燃料电池（P E M F C）以全氟磺酸质子交换膜为电解质[2]。

由于各种燃料电池的应用领域不同，其系统组成也有所不同。

以目前对传统行业最具影响力的燃料电池汽车为例进行分析。

燃料电池汽车的关键技术主要分为5个部分：燃料电池技术、电机技术、车身与底盘设计技术、控制器技术、测试技术。

部件包括：燃料电池堆、增湿器、气泵、高压氢罐（氢瓶）、燃料电池系统散热器等等。

其中的燃料电池堆又由催化剂、电解质（质子交换膜）、导电层（碳纸或碳布）、双极板（石墨板、复合板、金属双极板）等组成。

此外，燃料电池汽车相关的整车架构及布置、电动机及其控制技术、水循环及热管理系统、电子电器、辅助装置等部件的发展也从某种角度制约着燃料电池行业的发展。

目前我国燃料电池专利发展已进入成熟期，我国专利申请量逐年上升。

本文从专利数据角度聚焦国内燃料电池行业，通过对我国燃料电池技术进行专利检索，具体分析我国燃料电池技术发展现状，并结合分析结果，对我国燃料电池行业发展提出建议。

二、专利分析为了把握和分析燃料电池技术当前在中国的发展及研究趋势，本文主要利用科技创新情报平台（简称IncoPat），结合中国知识产权局专利检索平台[3-5]，检索时间为2018年2月10日，以主题词作为检索条件，检索其同族数据库，共检索到相关专利117 736项。

专利检索表达式为Topic=（燃料电池or fuel cell）。

1. 专利申请态势分析我国燃料电池专利申请态势如图1所示，从专利申请数量来看，1998年以前每年专利申请量较小。

2000年以后，国内燃料电池技术越来越受到重视，专利数量开始逐步增长，发展态势与国际基本保持同步。

2006年申请量增长达到一个峰值，2008年受全球经济危机的影响出现小幅回落，2009年专利申请数量开始回升，2010年的增长势头明显高于国际总体水平，到2014年申请量跃居世界第1，这可能得益于我国在新能源领域的高度重视和不断投入。

但总体上数量还偏少，与我国巨大的市场不相匹配。

同时，也从技术创新角度说明我国在燃料电池技术创新上投入不足。

专利申请量经历2014年顶峰后，平稳发展与国际趋势保持一致，近几年专利申请量呈现逐年下滑的趋势，这可能是以下2方面原因所致：一方面是2014年专利申请量达到顶峰，研究达到一定程度的饱和，说明燃料电池技术已日臻完善，正在向商业化道路进军；另一方面可能与专利的早期申请、延迟公开制度有关。

从总的发展态势来看，2000年以前燃料电池技术申请量在我国缓慢增长，2000年以后专利申请量呈现出突变式的增长态势，进入一个快速发展阶段。

2. 技术领域分析国际专利分类（I n t e r n a t i o n a lPatent Classification,IPC）是国际通用的标准化专利分类体系。

通过对检索到的燃料电池专利I P C进行统计分析，可以获取该领域涉及的关键技术主题和研发重点。

I P C分类号及其对应的技术主题如表1所示。

通过检索数据分析，可见我国燃料电池专利的技术分布主要集中在燃料电池及其制造（H01M8）大组下的若干小组，其中燃料电池关键件和燃料电池系统达到总数的80%，如图2所示。

分析可知，处于前3位的申请领域分别为燃料电池及其制造、辅助装置或方法和固体电解质的燃料电池（PEMFC）。

辅助装置或方法的申请量较大，原因是它们对于燃料电池系统的正常运行具有重要的影响，成为燃料电池领域研发的热点；固体电解质的燃料电池申请量较大，是燃料电池领域的研究焦点。

由于国内燃料电池的发展较晚，许多关键部件又受制于国外，甚至还存在着对中国禁售的现象。

因此，国内多数单位的研究集中于燃料电池关键部件上。

这也使得国内单位在质子交换膜、催化剂、M E A等产品逐渐具有了国际竞争力。

但最为燃料电池汽车等产品完整产业链上的关键技术而言，例如空气压缩泵、增湿器等，国内还有待加强[6]。

3. 专利类型分析我国专利中发明专利占59.34%，其中国内机构申请的比例只占到48.9%；在发明专利国内机构的申请量仅占到国内专利总数的3成左右，见图3。

4. 专利申请人分析我国人口众多，经济迅猛发展，已经成为世界第2大经济体，具有世界最大的潜在市场。

任何一个国外申请人都无法忽视中国市场，对中国已经进行大量的专利布局就是一个很好的证明。

从专利申请人国别角度分析，不仅可以了解不同国家的申请人在我国申请保护的专利数量，而且还可以了解各国创新主体在中国的市场战略布局、保护策略及技术趋势。

我国燃料电池技术专利申请人国别分析见图4，国外机构来国内申请专利已经占到总申请量的半数以上，这些国外申请人主要来自日本、美国、韩国、德国等。

其中日本和美国在国内的专利申请所占比例已经达到近32%，日本的比例更高，达全部申请的2成。

我国申请人所占比例虽然达到48.23%，但如果结合全球专利地域排名分析，可以看出来自国内的申请人的专利比例在全球总的比例中非常低，这一点值得引高度关注[7，8]。

专利申请人一般分为企业、大学、科研机构和个人4种类型。

分析专利申请人类型构成可以明确该领域创新主体的类型，并通过创新实体的主体性质、研发实力和研发目的分析创新成果更偏向基础研究还是商业应用，可以定位技术在产业链中的位置和可能的运营模式，从而找出在产业内影响力大的不同类型的创新主体（申请人）。

一般而言，企业更注重产品技术的产业化和商业化应用，大专院校和科研单位更侧重于技术本身的深入研究。

近些年以来，随着燃料电池技术发展，专利申请人研发能力不断增强。

从主要专利申请人来看，国内主要的机构多为科研机构、大学和能源科技公司，且在燃料电池领域已经具有一定的实力。

其中，科研机构与大学占比达到55.61%，可见科研机构和大学时我国燃料电池知识产权方面的主力，详见图5和图6。

分析这一现象的原因，可能是由于我国燃料电池企业起步较晚，国内企业的参与程度有待提高；也有可能是企业技术研发还没有达到一定的水平。

由图7、图8可见，在我国主要的燃料电池技术研究和应用单位中清华大学、上海神力科技有限公司、新源动力股份有限公司和中国科学院大连化学物理研所处于显著的领先地位，但是距离国际顶尖水平还有一定的差距。

从重要机构燃料电池专利申请数量分布来看，排名前10的申请人中只有一家是国内本土的机构入选——中国科学院大连化学物理研究所，其专利数量524件，但却仅仅占前10名总数的7%，详见图9。

可见，国内在创新成果积累上远不及国外，在核心技术的掌握上还很欠缺，产品一旦形成产业化，国内的企业必将在产业链的大部分环节受制于人。

因此建议国内加强技术研发能力，突破核心技术瓶颈，掌握更多的核心技术，为产业爆发做好充足的准备。

从国内前10位申请人专利申请量情况来看，国内前10家单位的专利总数占到国内总专利数量百分比分析见表2 ：假设申请人国别限定为中国时，占比21.86%；如果不限定申请人国别时（包括外资机构申请的中国专利），占比仅有11.65%，说明国内本土单位专利申请数量较少。

但是从前10位申请人专利申请年限分布看，在专利申请趋势上还是有所加速，见图10。

这一定程度上说明国内燃料电池发展虽然起步晚，但后劲十足。

不过，由于产业发展都有其周期和规律，当国外企业及研究机构在产业萌发期和爆发期已经做好专利布局后，再想突破难度非常大。

因此，国内相关单位应有一定的紧迫感，抓紧进行知识产权布局。

5. 专利地域分析经过燃料电池汽车在2008年北京奥运会期间和2010年上海世博会的示范运行，我国燃料电池行业得到了跨越式发展，清华大学、同济大学、中国科学院大连化学物理研究所、大连新源动力股份有限公司、上海神力科技有限公司等项目主要参与单位的技术水平得到显著提高。

这些参与单位主要分布于上海、北京、辽宁，这3省市的专利申请量占比达到国内申请总量的38.5%，详见图11。

而具有早期财富积累优势、地理优势、产业集群优势的江苏省，近年来由于政策扶持力度大，吸引了大量创业型公司和相关技术人才，在专利申请量上后来居上超过辽宁省，稳坐国内第3的位置。

通过中国省市申请趋势可以看出，近年各省市在燃料电池相关领域的申请趋势上都保持了高速增长，但江苏、广东、湖北等省份异军突起，尤其是江苏，在2012、2013、2014、2016、2017年都排在国内前位，如图12所示。

从城市分布来看，上海、北京作为燃料电池车第1批示范城市，研究机构集中、企业聚集度高，申请量最大。

大连市的燃料电池专利申请的优势突出，分析其主要原因在于中国科学院大连化学物理研究所以及大连新源动力股份有限公司申请量占比较多。

中国科学院大连化学物理研究所作为国内燃料电池领域的重要研究机构，一直作为国家燃料电池方面的科研主力军，先后参与了“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”期间承担了诸多国家重点科研项目，突破了多个具有里程碑式的技术难关。

大连新源动力股份有限公司，更是成为国内燃料电池产业化的排头兵。

此外，值得关注的是武汉、广州、苏州、杭州、南京等地，近年通过地方政策支持、引进高新技术、投入资金等方式，成为燃料电池领域的后起之秀，其实力不容小视，如图13所示。

三、结语我国的专利发展基本与世界保持同步，申请量也排在国际前列，但从申请人国别来分析，国内的专利中半数以上是被国外机构所掌握，表明中国燃料电池汽车市场是继日本、美国之后最具有吸引力的市场，引来大量国内外机构在中国进行专利布局；也说明国内的专利申请量绝对值并不大，在核心技术方面十分欠缺，亟需加强。

从专利的技术构成来看，燃料电池核心部件等基础研究成为专利的主要组成部分，说明燃料电池技术起步较晚，很多基础研究还有待完善；同时，燃料电池相关配套的周边技术还不够完善，例如气泵、增湿器、阀门、控制器等，参与其中的机构还很少，成为限制燃料电池市场化应用的关键节点。

希望国内有实力、有眼光的单位可以抓住这个关键的窗口期，集中力量突破难点，抢夺技术制高点。