中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術的發展進程、存在問題與對策研究
——基于DII 數據庫的實證分析

吳 婷,鐘書華

（華中科技大學 公共管理學院,湖北 武漢 430074）

以技術生命周期為時間軸,從專利申請情況、政策工具應用情況和市場發展情況三個維度,分析中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術的發展進程;多角度、全方位地了解中國氫燃料電池汽車PEMFC技術的發展情況及其相互間的關系,有利于厘清該技術發展的內在規律、挖掘政策工具應用如何影響專利申請和市場發展,對于促進該技術市場化發展無疑有重要的現實意義。

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。使用該檢索式檢索出自1967—2019 年數據4 333 條,數據結果最早可追溯到1991 年。導出相關數據,將數據清洗并整理后得到4 191 條數據,利用Incopat 軟件進行數據統計與分析。

政策文本的選擇是在法律之星——中國法律檢索網站。輸入關鍵詞“質子交換膜燃料電池”,檢索出截止到2019 年12 月31 日相關法規134 條,去除重復與不相關政策文本,得到105 條法律法規。

一、中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術發展進程

根據全球氫燃料電池汽車PEMFC 技術專利申請量的變化趨勢,可將氫燃料電池汽車PEMFC 技術發展分為萌芽期（1991—2002 年）、成長期（2003—2012 年）和成熟期（2013—2019 年）。這里從萌芽期、成長期和成熟期三個階段,分別對中國技術發展情況、政策工具應用和市場發展情況進行分析,描述中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術曲折的發展進程。

（一）氫燃料電池汽車PEMFC 技術的萌芽期（1991—2002 年）

從氫燃料電池汽車PEMFC 整個技術生命周期看,中國排名世界第五,在該領域專利申請最早出現在1998 年,共有51 個專利,與專利數量2 569 件排名第一的日本差距懸殊。中國關于質子交換膜燃料電池的法律法規最早出現在2001 年,該年份僅有3 條相關法律法規。萌芽期都屬于環境型,且工具名稱都是目標規劃,說明中國正準備拉動PEMFC 產業的發展。

北京理工大學于1997 年研制成國內第一個小質子交換膜燃料電池電堆;大連化學物理研究所、長春應用化學研究所分別研制成小型質子交換膜氫燃料電池電堆。天津大學、清華大學、上海交通大學等也都開展了小型質子交換膜氫燃料電池研究。1998 年底,北京理工大學在兵器工業總公司的支持下,研制成質子交換膜氫燃料電池電堆驅動的供單人駕駛乘坐的微型電動汽車[1]。中國質子交換膜燃料電池研究進程和市場化進程均慢于技術領先國[2]。

（二）氫燃料電池汽車PEMFC 技術的成長期（2003—2012 年）

中國氫燃料電池汽車PEMFC 專利數量在成長期仍不高,共15 件,除2012 年專利申請數量達到6件外,其余年份都是0 件、1 件或2 件,其中發明申請7 件,實用新型8 件。中國在該領域的專利權人世界排名也靠后,專利被引次數在1～10 區間中的專利有10 件,11～20 區間中的有3 件。

該時期“質子交換膜燃料電池”相關政策共有56 條,其中2006 年發布政策最多,共有13 條。2006 年之后的政策除2008 年發布了3 條最少外,其他年份穩步在6～9 條。成長期政策工具應用情況有了明顯變化,政府采用了環境型、供給型、需求型等政策工具。環境型政策工具占比53.73%,其中目標規劃占94.45%;供給型政策工具占比29.86%,其中信息服務占69.99%;需求型政策工具占比16.42%。成長期中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術發展的推動力不足、拉動力太小,環境型政策工具的影響難以有效發揮。

進入21 世紀,國際上氫燃料電池汽車技術有大突破,美國、日本和歐洲相繼提出了發展氫能計劃[3]。在國內,國家于2001 年9 月啟動“863 計劃”電動汽車重大科技專項,開創性地提出了新能源汽車發展的“三縱三橫”戰略,同時也自主研制出氫燃料電池汽車[4]。

隨后幾年,氫燃料電池汽車的發展風向逐漸變化。在中國,使燃料電池汽車發展幾近停頓,唱衰的聲音開始增多,各地多將重點放在純電動汽車。在經歷了2008 年北京奧運會與2010 年上海世博會短暫熱潮后,氫燃料電池汽車日漸式微[5]。

（三）氫燃料電池汽車PEMFC 技術的成熟期（2013—2019 年）

中國專利申請量在成熟期的增長率大大增加,從2014 年的0 件增長到2017 年的10 件。2017—2019 年是中國目前在氫燃料電池汽車PEMFC 技術領域專利申請量最高的三年。成熟期在中國該領域申請專利共36 件,其中發明申請21 件,實用新型15 件。

中國專利權人排名第一的是專利申請量有4件的北京建筑大學。申請人類型構成上,中國企業有18 個,大專院校15 個,科研單位2 個,個人1 個,企業在專利申請中占主導地位。被引次數在1～10區間中的專利有10 件,11～20 區間中的有2 件。

2013—2015 年,中國的政策發布數量呈下降趨勢,從6 條降為4 條,之后又呈上升趨勢;2018 年政策發布數量最多,達到10 條,2019 年又降到4 條。成熟期三種類型政策工具應用較成長期平衡。環境型政策工具占比37.35%,下降16.38 個百分點;供給型政策工具占比33.72,上升3.86 個百分點;需求型政策工具占比28.91,上升12.94 個百分點。成熟期目標規劃政策占環境型政策工具的77.43,較成長期占比少,環境型政策工具的結構也趨于合理化,但還有調整空間;供給型政策工具內容更完整,但比例未達到最佳;需求性政策工具除了技術標準和價格補貼,還需重視其他如政府采購等內容。

2013—2017 年,全球氫燃料電池汽車銷量僅為6 475 輛,其中大部分為豐田的Mirai 系列。2018 年有了較大幅度的增長,合計銷售5 525 輛;2019 年全球銷量增至7 500 輛,其中主要增量來自于中國。2015—2019 年間,中國燃料電池汽車的銷量分別為10 輛、629 輛、1 275 輛、1 527 輛、2 737 輛,截至2019 年底中國氫燃料電池汽車保有量達到6 175輛。2019 年的銷量是2015 年的273.7 倍,是2018年的1.79 倍。中國歷年加氫站建設數量2015 年后增長明顯,2019 年有加氫站30 座[6]。

二、中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術的全周期

可以從政策工具類型、技術生命周期兩個維度分析中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術政策工具的應用情況,總結政策工具發揮的作用,并對中國氫燃料電池汽車的市場化程度進行判別。

（一）全周期政策工具應用情況分析

圖1 分別是政策工具類型、需求型、環境型和供給型的餅狀圖。從全周期來看,三種政策工具類型中,環境型政策工具占比最高,達到46.10%。其中目標規劃在環境型政策工具中占比是最高的,為87.32%,表明政府重視氫燃料電池汽車PEMFC 技術的長遠發展;其次是公共服務占比9.86%,策略性措施和知識產權占比最少,均只有1.41%,說明了政府缺乏推動該領域發展的動機。供給型政策工具在全周期中占比31.17%,其中信息服務占比60.42%,在供給型政策工具中占比最高,其他依次為資金支持,占比29.17%,技術支持,占比6.25%,人才激勵和基礎設施均占比2.08%,人才激勵、基礎設施和技術支持政策還有很大的提升空間。需求型政策工具占比22.73%,其整體比較缺失,除了占比74.29%的技術標準和25.71%的價格補貼,其他需求性政策未涉及。

圖1 三種類型政策工具分析結果

從技術生命周期各階段看,技術萌芽期的政策工具應用極少,只占了2.6%,說明中國在氫燃料電池汽車PEMFC 技術的發展起步晚,相關政策出臺也晚;技術成長期,相關政策工具不斷出現,最終占比43.5%,體現了政府對該領域的重視程度大大加深;技術成熟期該領域政策工具應用占全周期的53.9%,表明政府更加堅定了在該領域的發展,發展時機也更加成熟。

（二）全周期政策工具應用作用分析

環境型政策工具對氫燃料電池汽車PEMFC 技術研發有積極影響。自2001 年起,中國促進質子交換膜燃料電池、氫燃料電池汽車技術發展的政策不斷發布,一方面出現的工具名稱是目標規劃,屬于環境型政策工具。在技術的萌芽期和成長期,中國環境型政策應用得最多,高達56.34%,2006 年是環境型政策（目標規劃）應用最多的一年,都明確提出要重點開發質子交換膜燃料電池技術。另一方面,中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術專利申請量在2003 年開始增加,2003—2012 年的專利申請量總體上是不斷上升的,可見環境型政策一定程度上有助于技術的研發。

供給型政策工具為氫燃料電池汽車的市場化積蓄力量,為市場化奠定基礎。2010 前后幾年的供給型政策工具集中度較高,主要為資金支持政策,且2009 年出現了技術支持政策、2014 年出現了人才激勵政策。2008 年奧運會和2010 年世博會期間,中國還對氫燃料電池汽車進行了一些投入。另一方面,中國氫燃料電池汽車于2015 年開始銷售,此后銷量不斷增加。表明了中國供給型政策工具為氫燃料電池汽車的展示提供了一些支持,為中國氫燃料電池汽車的市場化起到了推動作用。

需求型政策工具對氫燃料電池汽車產業的市場化起拉動作用。中國關于質子交換膜燃料電池相關政策的需求型政策工具只有技術標準和價格補貼兩種,價格補貼政策2018 年才出現。而中國氫燃料電池汽車銷量的增長從2015 年開始,近兩年增長速度不斷加快,體現了價格補貼所起的作用是不能忽視的。但需求型政策工具整體上比較缺失,還需不斷完善才能更好地拉動氫燃料電池汽車產業的發展。

（三）中國PEMFC 技術發展進程分析

大數據分析表明,在技術萌芽期,新技術研發風險較大,專利數較少,市場尚不明確;技術成長期,研發參與者擴大,專利大量涌現,新技術產業化加速,市場需求增加;技術成熟期,技術難題已基本解決,專利申請量增速變緩,市場化程度較高。該階段需要加大研發投入,是該技術持續領先和獲利;技術衰退期,技術發展趨于飽和,技術逐漸被其他技術替代,最終退出市場。

據此發現中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術已處在技術成熟期,但其市場化程度依然不高,不符合技術生命周期規律。根據Gartner 公司提出的技術循環曲線,認為中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術正處于穩步爬升的光明期,實質生產的高峰期還未到來。

三、中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術發展存在的問題

中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術與技術領先國還存在明顯差距,市場化程度也不高,同時在政策工具應用、核心技術占有、技術水平等方面還存在問題。

（一）政策工具應用不平衡

從全周期來看,政府在質子交換膜燃料電池領域更多地向環境型政策工具傾斜,而對需求型政策工具的應用較為缺乏。

從內部結構上看,環境型政策工具中目標規劃應用頻率過高,策略性措施和知識產權政策占比都只有1.41%,其他如人才培養、稅收優惠和法規管制在氫燃料電池汽車PEMFC 技術整個發展過程中都未使用。供給型政策工具中,雖然技術支持、資金支持、信息服務、人才激勵和基礎設施建設五小類均采用了,但信息服務占比過高,人才激勵和技術支持不足,不利于政策產生效果。需求性政策工具整體比較缺失,政府采購、貿易管制和對外承包三種工具均未涉及,而需求型政策工具的作用又是不容忽視的。同時,政策工具多為地方性的,國家層面政策工具缺失。

（二）核心技術占有量低

中國在氫燃料電池汽車PEMFC 技術領域的專利申請量在世界前列,但中國在該領域的專利權人均未能進全球專利申請量排名前十。說明中國氫燃料電池汽車雖市場容量大,但中國的研發團隊在國際上也處于劣勢地位。另一方面,中國專利被引量不及美、日、德等技術領先國,體現了中國核心技術占有量低,影響力較小。

（三）整體技術水平較低

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。另外在成本差距上,更是存在難以跨越的鴻溝。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[7]。

（四）技術成果的市場轉化低

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,中國只有少部分車企保持對氫燃料電池汽車的投入。目前,中國氫燃料電池汽車的市場容量巨大,但還未能培育出一條完整的產業鏈,氫燃料電池汽車部分材料上的技術攻克和量化生產仍然存在一些問題,中國企業仍舊不具備批量生產氫噴射器、空壓機、質子交換機等關鍵零部件,只能通過外國進口,對于中國中小型企業來說是一種很大的負擔。另外,國內氫燃料電池汽車產出以專用車和客車為主,加氫站等基礎設施還不完善,種種問題致使氫燃料電池汽車PEMFC 技術成果的市場轉化低,氫燃料電池汽車的產業化困難。

四、中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術的發展對策

加快中國氫燃料電池汽車PEMFC 技術發展,需要系統施策,目標是產品化、產業化、商業化、市場化。

（一）協調政策工具結構比例

在技術研發階段,應重視環境型政策工具的應用,選擇目標規劃、知識產權和人才培養工具,通過政策調節建立外部環境,同時選擇資金支持政策工具,有利于明確發展的戰略目標,加強知識產權的保護并培養優秀人才,促進技術的發展。

在市場導入階段,加強人才激勵,選擇資金支持和技術支持政策,做好信息服務與基礎設施建設政策,同時要盡早發布技術標準;價格補貼政策,保持補貼政策的穩定性、延續性,完善退坡機制,減小產業發展對補貼政策的依賴性,降低政策波動對產業發展的影響,推動中國氫燃料的電池汽車的產業化發展。

在市場化加速階段,政府應側重需求型政策工具,發布該技術領域政府采購政策,對于中國掌握的勞動密集型零部件制造可針對性應用對外承包政策,而關鍵零部件等核心技術需要進行貿易管制,擺脫對國外關鍵零部件的依賴,加強自主研發。最后要跟進公共服務政策,適時采用策略性措施和法規管制政策工具,盡快確定氫氣的能源利用屬性,研究制定氫安全管理法規,完善相關管理辦法,指導產業健康持續發展。要發揮各種政策工具的作用,并將政策工具上升到國家層面。

（二）提升核心競爭力、培養技術人才

目前,中國在氫燃料電池PEMFC 技術領域面臨研發團隊少,研究成果影響小等問題。基于此,應根據中國在該領域的現實因素制定合適的氫燃料電池汽車技術路線圖,加大資金投入,從高校、各科研院所組建國家級PEMFC 技術研究機構。還可通過國家專項、科技計劃等渠道加大對氫燃料電池汽車技術研發和市場化的支持力度,結合路線圖開展定向研究,此舉壯大高層次人才隊伍的同時,還突破質子交換膜燃料電池等核心關鍵技術,實現技術水平與總體國際同步、部分技術指標領先的格局。

（三）積極搶占技術產業的戰略制高點

中國要想直追世界氫燃料電池汽車快速發展的潮流,“產學研”必須緊密合作。國家應將氫燃料電池汽車的發展作為全局性、戰略性和方向性的目標,不需要將產銷量作太具體規劃。鑒于中國傳統汽車數十年發展的經驗與深刻教訓,燃料電池汽車必須立足自主,即掌握關鍵核心技術與資源,產業鏈的最大價值要在國內生成和表現出來;同時,也要鼓勵國內科研機構、企業積極進行相關的技術交流,尋求國際合作,建立互利互惠的雙贏或多贏的戰略聯盟,協同攻關、資源共享、成果共享、風險共擔。

提升中國氫燃料電池汽車核心技術的整體技術水平,應著重解決氫能基礎設施規模化建設及運營中的問題,同時推動整車及關鍵零部件技術產業化,營造氫燃料電池汽車推廣應用的良好環境,降低氫燃料電池汽車生命周期的總成本,為氫燃料電池汽車的商業化應用奠定基礎。另外,在具備氫能和燃料電池汽車產業基礎、有市場需求的地區開展試點示范,實現萬輛級氫燃料電池汽車規模化示范運行。