基于專利分析的氫發動機技術發展趨勢研究

張小帆 張春鵬 潘子康

（廣東技術師范大學，廣州510665）

主題詞：新能源 氫發動機 專利信息

1 前言

我國新能源汽車產業經過多年持續努力，技術水平顯著提升，產業體系日趨完善，企業競爭力大幅增強，從年銷量不足萬輛到突破百萬輛，中國新能源汽車產業正在高速發展[1]。發展新能源汽車是全球汽車產業轉型升級綠色發展的必由之路，也是新時代中國汽車產業高質量發展的戰略選擇。因此，國家先后出臺了全方位的激勵政策（如：降低汽車企業的準入門檻，延長補貼政策期限）[2-3]。氫發動機汽車作為新能源汽車中的一員，是指以氫發動機為動力源，符合道路交通安全法規的汽車，其具有無污染，零排放，氫儲量豐富的優勢[4]。

氫發動機有2個主要的技術方向：純氫發動機與摻氫發動機。當前2種類型的氫發動機所面臨的主要技術都在于氫氣儲存運輸以及由于氫氣不同于其他燃料的性質而造成的在發動機氣缸內不正常的燃燒現象。近幾年，國內外多位學者在圍繞純氫發動機與摻氫發動機2種技術在各個方面進行了深入的研究，均取得了階段性的進展。對于純氫發動機，雖然可以通過延遲點火正時來效緩解與控制回火等不正常燃燒現象，但是由于純氫發動機對儲氫技術有著很高的要求，在氫氣加油站較少的階段，純氫發動機難以得到推廣。對于摻氫發動機，由于主要是將氫氣與其它燃料摻混使用，氫氣消耗量減少導致儲氫難度降低，并且可以通過改變氫氣比例來解決與改善各種問題，因此相對于純氫發動機來說更為實用。目前，主要有天然氣摻氫，汽油摻氫，醇類摻氫，天然氣摻氫[4-5]。純氫發動機與摻氫發動機并沒有本質上的優劣之分，并且氫發動機技術在國際上內仍然處于起步階段，因此2者是在進行專利檢索與描述發展趨勢時的主要部分。

專利作為科研創新成果最主要的表現形式之一，包含著豐富的技術信息、市場信息和法律信息。通過對專利文獻進行全面地分析，可以揭示相關產業或企業的技術研發實力、研發方向、研發重點、市場發展策略以及知識產權保護意識和能力方面的重要信息[6]。以國內外氫發動機技術專利信息為切入點，從專利總體數量、專利申請年度趨勢、技術發布對比分析等角度，聚焦國內外氫發動機的關鍵技術和趨勢，對比分析我國與國際氫發動機技術水平上的差異[7]。

2 數據來源與檢索方法

本文確定的研究對象為氫發動機及其相關技術，根據技術性質確定了大分類號為B60（一般車輛）系列。在專利數據的收集過程中采用國際專利分類號IPC的方法進行索引[6]。

以Incopat專利檢索系統作為平臺進行專利檢索，Incopat完整收錄了全球102個國家、組織、地區1億多件基本專利數據，對22個主要國家的專利數據進行特殊收錄和加工處理，數據字段比較完美，數據可靠性較高，為分析結果的準確性、可靠性提供了保障。

檢索專利的類型包括發明授權專利、發明申請專利、實用新型專利、外觀設計專利。專利檢索的時間區間為2000～2020年。

氫發動機技術的基本構成：氫發動機（純氫發動機、摻氫發動機、氫氣噴射、儲氫裝置、氫氣供給系統）；氫發動機電、熱控制管理；氫發動機安全管理以及其他配套設施[4,6,8]，涉及到的專利檢索字段如表1所示。

表1 專利檢索字段

通過多次檢驗最終確定的檢索式為:(ALL=(TIAB=(新能源汽車OR儲氫材料OR氫氣供給系統OR氫氣噴射裝置OR“new energy vehicles”OR“hydrogen storage material”OR“hydrogen supply system”OR“hydrogen nozzle”OR PEV OR HEV OR FCEV）or（氫氣發動機OR“Hydrogen engine”))ORDES=(TIAB=(新能源汽車OR儲氫材料OR氫氣供給系統OR氫氣噴射裝置OR“new energy vehicles”OR“hydrogen storage material”OR“hydrogen supply system”OR“hydrogen nozzle”ORPEV OR HEV OR FCEV）or（氫氣發動機OR“Hydrogen engine”)))。對專利主分類號、專利名稱以及專利申請時間進行查詢與篩選。

3 國際氫發動機專利分析

3.1 專利總體數量分析

檢索顯示國內外的專利申請數，共有22 000件相關專利，相關數據如圖1所示。其中，發明授權專利是指通過了國家知識產權局的審查后，認為其技術符合專利的授權要求，給予的具有法律效力的授權證書。發明授權類型的專利，中國有2 180件；美國有2 537件；日本有1 072件。

圖1 國際氫發動機專利總體數量

3.2 專利申請年度趨勢分析

全球范圍內氫氣發動機技術專利申請趨勢如圖1所示，通過申請趨勢可以看出全球不同年度的申請熱度。由圖1可看出，從2000年開始，氫發動機專利申請數量開始在大體上呈現增加的趨勢，在2018年和2019年里，全球對氫氣發動機技術專利的申請數有所下降。而導致2018年和2019年專利數量下降的原因主要是專利公開存在滯后性。

3.3 中、美、日氫發動機技術專利發展對比分析

綜合各國在氫發動機專利的總體數量，將中國、美國以及日本作為主要分析對象進行氫發動機專利發展對比分析，分別進行發明授權情況對比分析、技術熱點領域分析以及國際申請人排名分析。

（1）發明授權情況對比分析

專利類型包括發明申請專利、發明授權專利、實用新型專利以及外觀設計專利。其中，發明授權專利是指通過國家知識產權局的審查后，認為其技術符合專利的授權要求，給予的具有法律效力的授權證書。通過對比中、美、日3國的發明授權專利的公開趨勢，更能反映中、美、日3國在氫發動機技術的發展情況，從而進行對比分析。

圖2 國際氫發動機專利申請趨勢

從中國發明授權專利公開趨勢（圖2）可以看出中國在氫發動機技術方面的研究起步較晚、較薄弱，但發展很快。結合公開趨勢圖與中國近幾年氫發動機技術的研究可以發現，中國在2004年前在氫發動機技術專利申請數極少，但在2005～2007年間，中國在發動機燃氫技術方面的研究得到飛速發展，專利數量迅速增加，并在之后一直呈現良好的發展趨勢。經過這些年不斷的探索，國內在氫發動機技術方面取得了進步，為我國氫發動機的研發奠定了良好的基礎。

美國在氫發動機技術方面的研究起步較早，從美國氫發動機技術專利發明授權公開趨勢（圖3）可以看出美國在2000年就有專利數量基礎，在2003～2007年間，美國的氫發動機技術得到快速發展。2007年福特氫燃料V-10發動機正式投產，福特汽車公司成為世界首個正式生產氫燃料發動機的汽車制造商。除了發動機和汽車廠商之外，很多美國高校也開展了對氫發動機技術的探究，它們的研究涉及到進氣道噴射氫發動機的動力性、經濟性和排放以及氫發動機的早燃回火等異常燃燒問題。專利數量迅速增加，并在之后一直呈現良好的發展勢頭。

日本在氫發動機技術方面的研究起步非常的早，早在1970年日本武藏大學就經開始了對缸內直噴的氫燃料內燃機展開了研究。從日本氫燃料發動機專利發明授權公開趨勢（圖4）可以看出，從2000年開始日本的氫氣發動機的專利數量就呈現出良好且穩定的發展趨勢。

中、美、日3國發明授權專利公開趨勢圖如圖3、圖4、圖5。

圖3 中國氫發動機技術發明授權專利公開趨勢

圖4 美國氫發動機技術發明授權專利公開趨勢

圖5 日本氫發動機技術發明授權專利公開趨勢

（2）技術熱點領域分析

在氫發動機技術專利申請量前10的國家中，以中、美、日3國為主要研究對象，通過對中、美、日3國氫發動機技術熱點領域的分析，可以反映當前氫發動機技術發展方向，也可以通過對比看出各國在氫發動機技術領域的發展方向以及側重點。申請專利的IPC分類號（小類）主要集中在：B60W（不同類型或不同功能的車輛子系統的聯合控制；專門適用于混合動力車輛的控制系統；不與某一特定子系統的控制相關聯的道路車輛駕駛控制系統）、B60K（車輛動力裝置或傳動裝置的布置或安裝；2個以上不同的原動機的布置或安裝；輔助驅動裝置；車輛用儀表或儀表板；與車輛動力裝置的冷卻、進氣、排氣或燃料供給結合的布置）、B60L（電動車輛動力裝置）。在B60K技術領域方面，中、美、日3國的專利申請量相對持平并遙遙領先于其他國家；在B60L技術領域方面，日本的專利申請量稍微領先于中、美2國；在B60W技術領域方面，美國的專利申請量稍微領先于中、日2國；在F02D（燃燒發動機的控制）技術領域方面，日本占據了較大的優勢，而中國在這一技術領域比較薄弱（如圖6）。

圖6 中、美、日氫發動機技術研究熱點

（3）申請人排名分析

考慮到同一公司的不同書寫形式以及相關子公司的從屬情況，對檢索得到的專利數據進行申請人排名，通過對比申請人的專利數從而進一步分析氫氣發動機在各國的競爭狀況。

從圖6中可看出排名前3的申請人分別是HYUNDAIMOTORCOMPANY，FORDGLOBAL TECHNOLOGIESLLC及TOYOTA MOTORCORP。

從申請人的角度來看，中國在氫氣發動機的發展較為落后，在全球排名前10的公司中，中國的重慶長安汽車股份有限公司以及奇瑞汽車股份有限公司分別排在了第9和第10。

圖7 國際氫發動機技術專利前10申請人

HYUNDAI MOTOR COMPANY在氫發動機技術領域申請數量占有絕對優勢地位（圖6）。圖7為HYUNDAI MOTOR COMPANY在氫發動機技術領域的技術分布，申請技術領域前5位依次是B60W、B60K、F16H（轉動裝置）、B60L（電動車輛動力裝置）、F02D（燃燒發動機的控制）。

圖8 HYUNDAI MOTOR COMPANY氫發動機技術構成

3.4 結合專利分析總結氫發動機目前研究熱點

面對氫發動機發展所面臨的問題，結合專利分析所得技術熱點，氫發動機的進一步研究將圍繞以下3個方面進行：

（1）采取缸內高壓直噴技術，探討高壓噴射系統，進氣系統與燃燒室之間的優化匹配，實現氫和空氣的高效混合。針對氫燃料的特性，對一些特殊部件采用特殊材料，不斷改進燃料噴射系統。

（2）加大對先進電控系統的研究,實現氫發動機工作過程的優化。電控技術與分層燃燒、稀薄混合氣燃燒、快速燃燒等技術相結合可以優化控制氫發動機的點火正時、噴氫正時和噴氫量,以消除異常燃燒，有效降低NOx排放，提高氫發動機的功率并改善其燃燒效率。

（3）發展氫發動機先進的優化控制技術，不斷提高氫發動機的功率和熱效率，降低NOx的排放。在實際應用中應綜合考慮多項指標中的主次，采用優化控制技術對發動機的運轉參數和結構參數，如噴氫正時、噴氫量、點火正時、壓縮比等實施優化控制，在不發生異常燃燒的情況下使一種或幾種性能達到優化，使發動機在各工況下工作在最佳狀態，達到高效、低NOx排放和各方面均優越的性能。這個領域的研究將是未來的熱點研究內容之一。

4 我國氫發動機技術專利與國家政策分析

4.1 專利總體數量分析

（1）國內專利區域分布

為了分析我國不同地區在氫發動機技術相關專利申請方面的差異，對國內不同省份的專利數據進行了細分。其中，僅有安徽的申請量超過100，處于第1梯隊；江蘇、廣東、北京、浙江申請量大于60，處于第2梯隊；上海、河南、湖北、福建、四川申請量大于等于20，處于第3梯隊；其余地區申請量在20以下，處于第4梯隊。圖9展示了國內專利申請量前十的省份。

圖9 國內專利申請量前十省份

（2）專利類型分布分析

根據專利的類型特征進行分類，得到發明申請專利4 563項，占比51%；發明授權專利2 181項，占比24%；實用新型專利1 959項，占比22%；外觀設計專利283項，占比3%。由此可見發明申請專利比重很大，中國在國際氫發動機技術發展中具備一定的核心競爭力。但是，也可以看出發明授權專利占比很低，這不僅受限于當前氫發動機技術在國際范圍內都仍然處于起步階段，而且受限于我國在氫發動機技術方面的相關政策。雖然，國家大力發展新能源汽車，但是由于氫發動機技術的不成熟以及我國當前的社會情況，即使有汽車企業已經研發出氫發動機汽車，由于國家政策的原因也不被允許上路。

（3）申請人類別分析

在對中國氫發動機技術專利檢索中得到，企業專利占比66.8%，大專院校和科研機構類專利占比12.7%，個人申請者的專利占比20.5%。這表明在氫發動機技術方面，個人申請者的數量比例相對來說比較偏低，主要原因在于氫發動機在技術以及資金方面的門檻較高。因此，在整個氫發動機產業的發展的過程中，企業是刺激技術創新的中堅力量。圖10為檢索所得到的中國申請人類型構成。

圖10 中國申請人類型構成

4.2 氫發動機技術發展與國家政策分析

我國氫燃料汽車行業的發展大致經歷了3個關鍵階段：

（1）2006年2月9日，國務院發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2010年)》[9]，正式將“低能耗與新能源汽車”和“氫能及燃料電池技術”分別列入優先主題和前沿技術，為氫燃料汽車的進一步研發奠定了良好的基礎。

（2）2015年5月，國務院印發《中國制造2025》通知[10]。隨即，工信部在當月披露了《中國制造2025》中節能與新能源汽車產業發展的10年戰略目標。提出“節能與新能源汽車”作為重點發展領域之一，并為其發展指明了方向，分別為關鍵材料、零部件逐漸國產化；整車性能逐步提升；運行規模進一步擴大，到2025年，制氫、加氫等配套基礎設施基本完善。

（3）2016年5月19日，國務院印發《國家創新驅動發展戰略綱要》[11]，重點提到要“開發氫能等新一代能源技術”。2016年11月29日，國務院發布《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》[12]，對氫燃料汽車的發展寄予更高期望，與“十二五”規劃相比，新規劃重點提到：推動車載儲氫系統以及氫制備、儲運和加注技術發展，推進加氫站建設。

2020年10月20 日，國務院正式印發了《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》[13]。自2012年國務院發布實施《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》[14]以來，我國新能源汽車產業發展取得了舉世矚目的成就，成為引領世界汽車產業轉型的重要力量。當前，全球新一輪科技革命和產業變革蓬勃發展，汽車與能源、交通、信息通信等領域加速融合，推動汽車產品形態、交通出行模式、能源消費結構和社會運行方式發生深刻變革，新能源汽車產業面臨前所未有的發展機遇。但和其他戰略性新興產業一樣，新能源汽車的發展歷程從來都不是一帆風順的，仍然存在著關鍵核心技術創新能力不強、基礎設施建設滯后、服務模式有待創新完善、產業生態尚不健全等突出問題。在這種環境下，《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》的發布不僅對我國新能源汽車產業制定了發展路線，也為我國各個省份以及汽車企業等提供了更多指導。對于氫能而言，在國家政策的支持下，各個省份都加快了對于氫能建設的腳步。2020年1月20日，浙江嘉興發布了《加快氫能產業發展的工作建議》[15]，將在2022年建成液氫等氫氣源生產企業2家以上和固定式加氫站8座以上；2020年9月30日，廣東發布了《培育新能源戰略性新興產業集群行動計劃》[16]，計劃到2025年，建成加氫站約300座，基本建成適應珠三角需求，輻射周邊的充電、加氫設施體系。四川、山東、上海、天津等省份也都在國家政策的指導下，先后發布了未來幾年關于對氫能建設的發展規劃。

根據檢索到的氫發動機專利申請、公開時間信息，可以發現氫發動機專利是從2000年開始逐步申請，至2007年專利穩步上升，之后一段時間經歷了快速的申請高峰期，每年申請量不斷增加。基本的發展趨勢和國家的新能源汽車政策出臺時間相協調(圖3、圖12)，因此政策在推動新能源汽車技術的發展方面具有重要作用。

圖11 中國發明授權專利申請趨勢

5 結論與建議

目前，國內外進行氫發動機的相關研究項目都僅限于氫-汽油，氫-柴油混合燃料發動機的初步研究，純氫發動機的相關研究比較少。這一階段的研究主要集中在燃燒機理的研究和對燃燒規律的認識，一般燃燒過程采用化油器或進氣管噴射的預混式外部混合氣形成方式，發動機異常燃燒和提高功率以及降低氮氧化物的矛盾始終困擾著研究的進展。上個世紀90年代末期，特別是進入21世紀以來，隨著計算機技術和控制技術的不斷發展，傳統燃料發動機的電控技術逐步實用化，具有優化控制特征的燃料直接噴入燃燒室內的內部混合氣形成方式的研究逐步受到重視，為解決發動機異常燃燒和提高功率以及降低氮氧化物矛盾提供了新的思路和方法。但是系統地研究純氫發動機的燃燒控制模型、優化控制規律和電控技術仍然有待深入進行。

除了上述方法和技術可以解決氫發動機發展所面臨的問題以外，還可以采用增壓、中冷、EGR等技術來解決異常燃燒與提高氫發動機功率的矛盾。對氫發動機異常燃燒機理的研究和對燃燒規律的認識,將從根本上解決氫發動機提高功率和異常燃燒、NOx排放的矛盾。而氫發動機的優化控制技術是解決提高功率、改善燃燒效率與降低NOx,并能保證發動機正常燃燒之間矛盾的最有效手段,是今后研究的熱點之一。

目前，氫發動機汽車離產業化還有一段很長的距離。制約氫發動機汽車發展的關鍵因素除了本身的技術難度的限制以外，就是氫氣不同于汽油、柴油等其他燃料的性質，主要表現在：氫發動機對儲氫技術有著極大的要求，儲氫量的不足造成續駛里程不夠長；氫氣在氣缸內的不正常燃燒現象;使用壽命短，成本高。加氫站的建設難度極大，后期運營維護也不容易，對于中、美來說在全國范圍內建設加氫站是不太現實的，反而是面積小，城市高度發達的國家比較利于建設加氫站，這也是為何只有日本和韓國的車企熱衷于氫發動機汽車的研發。

通過對國內外氫發動機汽車技術專利分析以及對比分析可以看出來，我國在氫發動機汽車相關技術領域有一定的技術優勢，而且與國際相關技術發展趨勢大致相同。我國在氫發動機研發僅處于初級階段，在大規模制氫、氫氣供應、增壓技術、減排技術、管控方略、綜合電子管理系統、安全系統的重要技術項目上還有所欠缺。

我國在氫發動機核心技術的掌握與產業的運營上，與國際水平存在一定的差距，比如我國氫發動機汽車技術領域仍然沒有出現領導企業，各個汽車企業的實力差距并不大，其中民營汽車企業（如：奇瑞）在氫發動機汽車技術領域具有領先優勢，而傳統的國有大型汽車企業在氫發動機汽車技術領域的發展與其資本實力并不協調。其中一部分原因是由于國家政策的不支持，而在美國以及韓國等國家，在國家政策的支持下，氫發動機汽車已經可以上路。因此，可以看到一些在氫發動機汽車技術領域有較大優勢的國家如韓國，韓國雖然在專利的總體數量上并不占優，但是可以看到韓國的專利絕大部分都集中在現代汽車的手中。就單個企業的技術實力而言，現代汽車在氫發動機汽車領域有著強勢崛起的趨勢。就中國而言，目前并沒有這種有著強勢崛起的趨勢的汽車企業。

目前，國內的氫發動機汽車技術仍然處于基礎創新初期?；趪鴥葘＠傮w的分析表明，伴隨著相關技術的發展，專利申請主體由個人向企業轉變，企業日漸成為中國氫發動機汽車產業技術創新的主體，更有利于氫發動機汽車產業的技術創新向產品以及市場的轉化，促進中國氫發動機汽車產業的發展。這意味著企業能否在相關技術領域的創新上得到實質上的突破，這將不僅僅影響企業是否可以在技術創新的前沿獲得競爭優勢，而且能提高國家在相關技術領域在國際上獲得競爭優勢。因此，包括創新技術等多個綜合競爭力將會逐漸成為汽車企業的競爭焦點。

通過對比我國新能源汽車政策的出臺以及專利申請數量時間序列，發現激勵政策的出臺對技術創新的推動有很大的影響。因此，在氫氣發動機汽車技術的發展過程中，政府具有重要作用，重要的政策的出臺能夠有效促進技術的進步。但是截至目前為止，在國家出臺的新能源汽車政策中，混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車仍然占據了主要部分。因此，從氫發動機技術的發展到氫發動機汽車真正奔馳在中國的街道上，都離不開國家政策的大力支持。隨著科學技術的發展，隨著制作工藝以及新材料的不斷被發現，氫發動機汽車的產業化路線終能實現。因此，中國氫發動機產業創新活動還需加強對前沿技術的關注，為中國氫發動機產業在未來國際領域占據領先地位奠定基礎。