燃料電池汽車PEMFC技術空間分布及其演變

吳 婷 鐘書華

(華中科技大學 公共管理學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

日本湯淺光朝發現并定義了科學中心，其理論為科學中心的研究奠定了基礎。隨著科學技術發展與技術論興起，人們不斷認識到科學與技術的重大差別，以及深入研究關于技術發展規律問題的必要性[1]。 基于專利申請量和優先權申請量來研究各國燃料電池汽車PEMFC技術的發展進程及相互間的差距，可多角度分析出各國在該領域的優勢與不足，進而根據“湯淺現象”定義識別PEMFC技術的特強中心、強中心與弱中心。

根據“湯淺現象”理論，結合專利分析和“三個中心等級”的劃分，對未來技術中心轉移構建預測模型；同時，根據各國在燃料電池汽車領域的發展現狀，為國家今后在該領域的發展提供參考信息。

1 PEMFC技術、數據來源與分析工具

1.1 發展燃料電池汽車的必要性

21世紀以來，世界經濟高速發展伴隨著生態環境的不斷惡化。據資料顯示，全球大多數城市的空氣質量指數未能達到世界衛生組織建議的標準，且全世界90%城市的空氣污染程度明顯高于設定極限值。而城市空氣污染源主要是汽車尾氣及煤、石油和天然氣的燃燒[2]。因此，全球汽車產業面臨著石油短缺、環境污染、氣候變暖，并由此給人類帶來的各種疾病的挑戰，鑒于此，新能源汽車已成為目前汽車工業發展的熱點。目前，國際上正致力發展新能源汽車，各國政府及產業界紛紛提出發展戰略，積極應對，以保持汽車產業的可持續發展。

新能源汽車主要分為純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。其中燃料電池主要以氫氣、甲醇等新能源為燃料，通過化學反應產生電流。由于燃料電池汽車具有純電動汽車沒有的續駛里程局限小、補充能量快，以及電池安全性高、對環境友好等獨特優點，世界再次聚焦燃料電池汽車。中國應抓住機遇，發展燃料電池汽車，這不僅是保護生態環境重要措施，更是實施創新驅動戰略的理性選擇。

1.2 PEMFC技術簡介

根據使用電解質種類，燃料電池可分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)等。PEMFC具有發電效率高、無污染、無噪聲、冷啟動快以及比功率高等優點[3]，應用廣泛，最有希望成為未來電動汽車的發動機。

PEMFC是一種將存在于氫燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，原理上相當于水電解的“逆”裝置。目前日本、美國、中國等國家PEMFC的專利數量占比較高，但中國與日本、美國還存在一定差距。另外，中國只有少部分車企保持對氫燃料電池汽車的投入，且不管在核心技術還是關鍵零部件都只是“跟跑者”。在技術領先國，PEMFC在技術上取得了一些突破，成本不斷下降，這為燃料電池汽車市場化奠定了基礎。在中國，盡管政策與文件中氫燃料電池汽車被列為大力發展的新能源汽車之一，但在執行和實踐中，氫燃料電池汽車客觀上已被邊緣化和遭到忽視。

資料顯示，燃料電池的大部分專利技術掌握在日本、韓國和美國的公司；排名前兩位的專利權人是日本的豐田和本田汽車公司，兩家公司在專利總量和燃料電池主路徑的核心專利上同樣占有優勢。而PEMFC組件研究的大部分核心技術被國際燃料電池和美國通用汽車公司所掌握；通用汽車公司在電池發電系統方面也占有很多重要專利。

1.3 數據來源與分析工具

專利可以表征技術，指的是專利數據可以表征一個國家的技術創新水平，反映技術中心的地域分布和演變。因此，可根據專利申請量等相關數據分析PEMFC技術中心的空間分布，并基于技術演變過程圖構建預測模型，對未來PEMFC技術中心變化進行預測。

目前，應用較廣的專利數據庫有美國專利商標局(USPTO)、歐洲專利數據庫(EPO)、中國國家知識產權局專利數據庫(SIPO)、德溫特創新索引專利數據庫(DII)等。其中，德溫特專利數據庫(DII)為全球提供專利信息，其主要整合了德溫特世界專利索引(WPI)與專利引文索引 (Patents Citation Index)，囊括了全球專利數據信息，對數據庫中的信息實時更新。

質子交換膜燃料電池亦稱做固體聚合物燃料電池(solid polymer fuel cell)。這里選取德溫特創新索引專利數據庫(DII)進行專利數據收集，全球燃料電池汽車質子交換膜燃料電池專利檢索表式如下：德溫特手工代碼: (X16-C01C) AND 主題: ("vehicle*")，其中X16-C01C代表固體聚合物燃料電池。使用該檢索式于2019年7月9日檢索出截至2018年12月31日的結果4270條，其中最早可追溯到1991年。導出相關數據，將數據清洗并整理后，利用SPSS軟件進行數據統計與分析。

2 PEMFC技術的空間分布

2.1 各國專利申請量與優先權申請量關系分析

專利文獻作為技術信息最有效的載體，比一般技術刊物提供的信息早5～6年，囊括了全球90%以上的最新技術情報[4]，是世界上最大的技術信息源。專利文獻中約有70%～80%的發明成果未曾在其他非專利文獻上發表過，因此，相對于其他文獻形式，專利更具有新穎、實用的特征。對涉及PEMFC技術領域的世界專利申請進行梳理，得到1991-2018年各國PEMFC技術專利申請量占比圖。圖1所示，日本燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量最高，占世界的38.18%；其次是美國、中國、歐洲、韓國和德國，他們在該領域的專利申請量占比分別為16.4%、10.57%、9.46%、6.08%和5.72%。需說明的是，WO代表世界知識產權組織(Would Intellectual Property Organization，WIPO)，表示該專利經PCT條約，由WIPO進行登記，然后在多個國家進行專利申請了，標WO專利號，更多的是用于同族專利檢索，其受理的專利申請量占世界的7.64%。另外，加拿大、澳大利亞、印度及法國等在該技術領域也有少量占比。從圖1可發現，日本在燃料電池汽車PEMFC技術領域具有“一霸獨大”地位。

圖1 各國PEMFC技術專利申請量占比

圖2 各國PEMFC技術專利申請量時間變化

統計表明，日本和美國燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量基本上一直保持著領先地位，特別是日本專利申請量不僅是世界第一，而且一直遙遙領先于美國(見圖1)。中國和歐洲的專利申請量略低于美國，中國與歐洲、德國與韓國在PEMFC技術領域的專利申請量基本上保持著角逐式發展。加拿大自2000年以來該領域專利申請量每年基本上維持在15到30的水平，印度在2008-2010年受理的該領域專利申請量顯著增長。澳大利亞1999-2003年燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量快速增長后，就基本處于停滯狀態。

從圖3、圖4不難發現，世界范圍內燃料電池汽車PEMFC技術領域專利優先權申請量依然是日本最高。美國在2010年以前優先權申請量一直居于第二，2010年之后被德國和韓國追趕上，甚至被較晚涉足該領域的韓國所超越。法國和中國的優先權申請量分別處于第五、第六的位置，與領先的四國還有較大差距。

圖3 各國PEMFC技術專利優先權申請量占比

圖4 各國PEMFC技術專利優先權申請量時間變化

分析各國的專利申請量與優先權申請量的相關關系可發現，日本、美國、韓國、德國和法國等技術領先國其專利申請量和優先權申請量高度相關，他們同時擁有廣闊的燃料電池汽車市場和核心技術。中國雖然擁有較高的專利申請量，但基本都是國外研發機構在中國的專利布局，自身的專利很少。從優先權申請量與專利申請量的差距與弱相關關系看，中國在PEMFC領域的核心技術離技術領先國還有差距。

2.2 PEMFC技術空間分布及其演變

一般地，某國或某區域申請的專利數量越多，代表專利申請人越看重該市場，從而希望在該國進行更多的專利布局。從1991-2018年燃料電池PEMFC技術領域各國專利申請量變化表中，可以觀察到質子交換膜燃料電池汽車在世界范圍內的市場容量格局變化(見表1)。在第一階段，世界范圍內有眾多國家都在該領域都進行了專利布局，這些國家主要分布在東亞、中亞、北美和西歐地區；另外澳大利亞、巴西和南非也初步進行了少量布局。從表中還可以看出，日本在第一階段的專利布局最為深入，其次是美國和德國，這為后期的發展奠定了良好基礎。在第二階段，日本的專利申請量依然最高，數量高達3883個，占比41.84%。美國的專利申請量在該階段排名第二，但與日本的的專利申請量相比還有很大距離。緊跟美國之后的中國、德國和韓國的專利布局差距不大，澳大利亞、法國和印度有少量專利布局?？傮w來看，2001-2010年各國專利申請量空間分布主要集中在東亞、中亞、北美和西歐地區。第三階段較第二階段的各國專利申請量空間布局變化不大，只是各國的申請量都有所提升。

表1 各國專利申請量變化

分析1991-2018年3個階段各國專利優先權申請量變化表，在第一階段專利優先權排名前三的國家分別是日本、美國和德國，其余國家優先權申請量可忽略不計。第二階段發展最快的日本專利優先權申請量高達2520之多，占世界同期的78.24%。美國以346條專利優先權申請量位居世界第二，德國和韓國次之，法國、中國和英國依次位于德國和韓國之后。第三階段的日本在燃料電池汽車PEMFC技術專利優先權申請量排名依然穩居世界第一，申請量上升至3189條，占世界74.7%。在第三階段，專利優先權申請量空間布局較第二階段無多大變化。需指出的是，日本、美國和法國專利優先權申請量增長速度変緩，德國和韓國保持平穩增長，而中國的專利優先權申請量增長速度加快，可以看出中國在第三階段處于技術成長期[5](見表2)。

表2 各國專利優先權申請量變化

英國科學史家貝爾納最早注意到科學活動的中心轉移現象[6]，日本科學史家湯淺光朝從中得到啟發。湯淺光朝認為，當一個國家在一定時段內的科學成果數超過全世界科學成果總數的25%時，則稱該國在此時段為科學中心，該國保持為世界科學中心的時段為科學興隆期[7]。以燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量來定義世界PEMFC技術中心，省略各時間段占比少于1%的國家，統計出各國專利申請量占比變化表。表3所示，專利申請量占比超過25%的國家只有日本，且自1991-2018年3個階段占比都高達40%左右。排在其后的美國最高占比也只有在2011-2018年第3階段達到16.4%。黃欣榮、王英[1]認為，技術成果百分比數能穩定地保持在25%以上的國家，可定義為“技術活動中心”(技術中心)，把技術中心的形成時間Tr與退出時間Tf之差定義為技術中心的中心周期Tc，技術中心在其中心周期Tc內的技術成果百分比數的平均值，則成為技術中心的中心強度Ic；根據中心強度參數，可將中心分為特強中心、強中心和弱中心3個等級。據此，基于表1數據，將每一階段專利申請量占比大于等于25%的國家視為特強中心，占比10%～25%之間的國家視為強中心，5%～10%的則為弱中心。

表3 各國專利申請量占比變化表(%)

從表3可以得出結論，日本在1991-2018年內3個階段都屬于世界特強中心，其在燃料電池汽車PEMFC技術領域的影響力巨大。美國在該領域專利申請量雖然排名第二，但離日本還是有較大差距，根據其在三個階段的占比，美國一直屬于世界強中心的地位。中國、韓國、德國和歐洲則屬于世界弱中心。

3 空間分布影響因素分析

3.1 氫燃料電池汽車興起的政策因素

據世界銀行稱，汽車造成的空氣污染導致了全球疾病負擔日益增加，且超過了艾滋病毒、結核病和瘧疾等疾病。機動化的公路運輸導致每年超過150萬人死亡，790萬人的生命損失[8,9]。

機動車導致的空氣污染在21世紀之后越來越強，世界各國為此制定了眾多燃料電池汽車發展規劃，見表4。

表4 全球燃料電池汽車產業發展規劃

與此同時，中國中央政府和相關部門對氫燃料電池汽車產業不斷加大支持力度，如國務院頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》，明確提出“燃料電池汽車、車用氫能源產業與國際同步發展”的戰略目標。從科技、產業結構、戰略等方面相繼頒布了一系列政策，如《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》(T/CECA-G0015-2017)、《中國制造2025》《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》、《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》《能源發展戰略行動計劃2014-2020》《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持的通知》等。特別是2019年《政府工作報告》提出，“繼續執行新能源汽車購置優惠政策，推動充電、加氫等設施建設”，氫能源首次被寫入國務院政府工作報告，越來越多的地方政府和汽車企業也不斷參與進來[10]。

政策變革帶動整個行業變革。傳統汽車行業正經歷停滯期并緩速下降，而環保汽車實現了爆發式的增長，如韓國環保型車輛的市場份額從2015年的2%增長到2018年的8.2%，燃料電池汽車從2015年的7.2%有所上升。韓國預計到2040年累計生產FCEV增加到620萬輛，價格較2022年的價格降低50%[11]。在中國，根據2016年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖規劃》，氫燃料電池汽車的規模將在2020年、2025年和2030年這3個時間節點分別達到5000輛、5萬輛和100萬輛[12]。

目前，中國氫燃料電池車在銷量上以客車和專用車為主。相比2017年，2018年中國專用車產量(含貨車、環衛車等)增長尤為明顯，共為909輛，飛馳汽車、中通汽車兩家企業占據國內總量的70%以上。自2018年底起，已有多家企業啟動氫能源汽車的商業化工作。值得一提的是，長城控股集團氫能板塊憑借國內首座氫能技術中心的落成，已經擁有了一系列世界級高端研發設備。近來東風、一汽等各車企，以及備受關注的格羅夫，開始進軍燃料電池汽車市場[12]。

3.2 國內燃料電池汽車曲折發展的市場因素

2001年國家“863計劃”電動汽車重大科技專項啟動，發展新能源汽車的“三縱三橫”戰略被開創性地提出。此后，日本、美國和歐洲等都提出氫能發展的計劃。在此期間，燃料電池在中國自然也受到特別關注。

然而隨后幾年，原本“三橫”( 純電動、混合動力和燃料電池)并行發展的風向卻逐漸變化。2006年，美國對燃料電池方向的關注不斷降低；2011年，奧巴馬政府計劃關閉兩家研究機構，并將大幅削減化石燃料的研發投入。在中國，唱衰的聲音也逐步增多，燃料電池的汽車發展由于人們態度搖擺不定而幾近停頓，各地多將發展重點放在了純電動汽車上。2008年，純電動方向產業化出現發展加快的現象，而氫燃料電池仍面臨著技術和商業化等難題。在經歷了2008年北京奧運會與2010年上海世博會的短暫熱潮后，氫燃料電池汽車發展曰漸式微。

此后，氫燃料電池汽車又暗暗積攢力量。2014年9月，上汽榮威開啟了一場名為“2014年新能源汽車萬里行”的活動； 2014年12月，Mirai氫燃料電池汽車被日本豐田汽車正式售賣，并于次年4月在上海車展展出，這使國內從業者意識到氫燃料電池汽車可以規模化、商業化。之后由于億華通等氫燃料電池公司在2016年登陸新三板，氫燃料電池汽車在隨后幾年銷量出現了較大幅度增長。2018年，氫燃料電池汽車的激勵政策更是頻頻出臺，國家能源集團等眾多央企于2月參與成立“中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟”；各地政府在李克強總理于日本考察之后，迅速加快氫能產業發展的規劃，并在下半年密集出臺[13]。中國近年來在該領域正追趕技術領先國，其專利申請量和優先權申請量的占比在不斷增加。

3.3 國內落后于技術領先國的現實因素分析

當前，國外燃料電池汽車性能研發已基本完成，整車性能已能達到傳統汽車水平，成熟度也接近產業化階段。中國燃料電池汽車經過近年來發展，與國際先進水平相比，其整車總體布置、氫氣消耗量、動力性等基本性能方面已差距不大，在控制和動力系統的集成方面也有顯著進步，但在關鍵零部件、關鍵材料及工藝、低溫冷啟動、耐久性以及整車集成等方面仍有明顯差距[15]，具體見表5。另外在成本差距上，更是難以跨越的鴻溝。由于催化劑鉑使用量和燃料電池系統成本均高于國際先進水平，因此國內客車動輒百萬元以上的售價，Mirai乘用車售價已經低至45.7萬元，補貼后合約33萬元[13]。

表5 全球燃料電池汽車產業發展

燃料電池重型商用車按照電堆能源配比情況，可分為全功率型燃料電池車和混合動力式燃料電池車兩種類型。國際上技術領先國如日本，在Clarity和Mirai上采用的燃料電池電堆功率均超過100kW，配合大功率動力電池組實現全功率輸出；而豐田的客車和牽引車則實現了全功率燃料電池系統輸出。中國燃料電池商用車的代表企業宇通及福田，受目前國內燃料電池零部件發展限制，均采用了電電混合式燃料電池系統。在一個較長時間內，中國燃料電池技術路線將以小功率堆配較大電量電池組，按照電電混合的方式進行。但隨著燃料電池技術的成熟、電堆和相應系統的商業化，全功率將成為未來發展的方向[14]。

4 PEMFC技術中心未來預測

4.1 技術中心演變模型構建

這里將對專利申請量最多的6個國家地區進行未來5年技術中心預測。首先對年代進行轉化，將年代的計數轉化為從1開始計數。日本、美國、中國、歐洲和德國自1991到2018年，其相應的年代計數方式為1-28；由于韓國1991-1998年無專利申請量，且1991-2018年的趨勢線擬合程度較低，因此將韓國趨勢線設置在1999-2018年之間，其相應的年代計數方式為1-20。將橫坐標設為時間t，縱坐標為專利申請量，得到6國專利申請量趨勢圖(見圖5)。

圖5 各國專利申請量趨勢

根據6個國家的專利申請量分別建立散點圖，對比多種預測模型，最終選擇多項式趨勢線進行擬合。用技術生命周期[5]來描述專利申請的不同階段，從圖5可看出,6國技術成熟期大致都在2005-2012年間，2012-2018年為技術衰退期，技術高產期在2008年前后。另外，圖5顯示,從2019年起，未來5年除美國和歐洲專利申請量呈不斷下降趨勢外，其余國家的專利申請量在未來5年都不斷回升，進入技術再發展期。各國專利申請量趨勢線相關程度較高，能夠預測未來5年中心轉移情況。

4.2 技術中心演變的未來預測

根據6個地區的函數模型，分別計算出未來在燃料電池汽車PEMFC技術領域的專利申請量，得到相關數據(見表6)。

表6 各國燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量預測

由于專利申請量不能為負數，可以將負數看作是0，由此計算出2019-2023年專利申請量總和與占比，見表7。

表7 各國2019-2023年專利申請量及占比

根據前面將技術中心劃分的3個等級，結合表2的數據，預測出未來日本專利申請量與其他國家差距不斷增大，仍占據世界特強中心位置。美國未來專利申請量雖然不斷下降，但占比不低，約占世界的20.44%，依然屬于居于強中心位置。中國在該領域的專利申請量經預測呈不斷上升趨勢，符合近年來國家大力支持的背景。值得指出的是，中國未來專利申請量世界占比提升一個等級，由弱中心的位置變為強中心的位置。韓國和德國未來專利申請量增長比較平穩，但世界占比有所下降，不再是世界的弱中心。

5 PEMFC技術空間分布演變對中國發展燃料電池汽車的啟示

根據專利申請量和優先權申請量的空間分布分析，發現中國的技術水平距離技術領先國還有較大差距，需要加強研發投入方能追趕上。中國氫燃料電池汽車的市場容量巨大，如能形成一條完整的產業鏈，帶來的價值極為樂觀。目前，國內氫燃料電池汽車產出數量較低，且以專用車和客車為主，未來幾年內，仍會在客車和專用車領域重點發展[17,18]；加氫站等基礎設施也不完善。為加快中國氫燃料電池汽車產業化的發展，可采取兩條對策。

(1)建立“產學研”合作模式，提高研發效率，加快市場化發展。在技術層面，研發中心要不斷以降低燃料電池成本為目標，主要途徑是降低PEMFC中貴金屬鉑的含量，其次是提高燃料電池關鍵材料技術，培育完整、成熟的供應鏈，提升國產化率。另外要提高燃料電池汽車的耐久性，加強技術提升和創新。

(2)加強公眾對氫能經濟與“氫安全”的認知度，加大對燃料電池技術的研究投入。國家應加大對燃料電池行業的扶持、促進企業間的強強聯合；強調綠色制氫，逐漸改善能源結構。同時，政府應鼓勵支持加氫站的建設，這對于燃料電池產業化的重要性不言而喻[19]。氫燃料電池汽車目前正在世界各國興起，中國燃料電池汽車PEMFC技術專利申請量排在世界前列，處于弱中心位置。未來我國氫燃料電池汽車發展前景光明，有望成為世界的強中心。