中國儲氫技術專利分析

胡燦英

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 研究背景

氫氣能量密度高，其燃燒熱值約為125 MJ/kg，是酒精、焦炭與汽油的數倍[1]。氫氣也可大量儲存，成為一種儲備資源。氫能具有不污染環境、可存儲、可循環利用等優點，使得氫能成為未來的理想能源。氫能的開發與利用是一個整體的系統工程，主要包括四大關鍵技術：生產、應用、儲存及運輸。氫能利用的關鍵環節在于制氫與儲氫，制氫技術目前已經相對成熟，如電解水制氫技術、高溫熱解制氫、原油副產品制氫等，隨著世界各國對開發利用氫能源的重視，儲氫技術必將成為氫能利用產業的關鍵。

儲氫技術要求大容量、低成本、安全系數高以及取用方便，目前主要有低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、固體材料儲氫及有機液體儲氫等[2]，其中固態儲氫是一種新型高效的間接儲氫方式，近年來得到廣泛關注。

2 儲氫專利技術分析

Incopat 中選擇申請、授權與實用新型3 種類型專利數據，去掉外觀、其他兩種數據類型。檢索結果集代表在中國相關專利布局情況，即專利公開國在中國的情況。檢索式為：((TI ＝(儲氫OR hydrogen storage OR hydrogen storing)) OR (TIAB＝(儲氫OR hydrogen storage) AND PNC＝(''CN''))。截至2022 年5 月31 日，根據上述檢索式檢出相關專利8 705 件，利用Incopat 專利數據平臺對專利的申請文本申請號進行了合并，得到6 717 件專利數據。根據申請體量的增長速率與行業政策變化，選擇2003—2021 年數據作為分析數據集。

2.1 技術發展趨勢（申請趨勢）分析

國內較早的儲氫相關專利為1987 年夏普公司申請的固體電解質電池組專利，此后專利數量逐年遞增。但在2000 年以前我國儲氫專利申請數量相對較少，本文選擇2003 年以后數據分析申請趨勢，見圖1。2004 年儲氫相關專利首次突破100 件，同年，國內大量企業在2004 年以后申請了大量專利，此時年申請量的激增與政策激勵關系較大。2004 年也是我國專門成立了國家保護知識產權工作組的第一年[3]，2004—2014 年間，我國儲氫專利出現平穩增長局面。

圖1 2003—2021 年專利申請量統計

2015 年后，受國家相繼出臺的政策影響，相關專利申請人與申請數量爆發式增長?！豆澞芘c新能源汽車產業發展規劃（2012—2020 年）》 《“十三五”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）》等對清潔能源利用起到重大助推作用，2020 年，“雙碳”戰略目標的提出將進一步推動氫能產業的發展，儲氫作為重要中間環節，相關技術也呈現快速發展趨勢。

2.2 專利來源國分布

自20 世紀以來，國外申請儲氫專利占所有申請人比例為11.7%，其中日本申請總量422 件，美國為146 件，韓國為48 件，德國為44 件。2003 年至今，儲氫技術領域在中國的布局情況見表1。

由表1 可見，在儲氫領域，中國本土申請人的專利總量占絕對優勢，尤其是近年來布局密集。按申請人統計，國內申請數量排名靠前的機構有中科院、浙江大學、北京有色金屬研究總院、中國鋼研、武漢格羅夫氫能汽車有限公司等。日本自1985年、美國自1986 年以來便開始在國內布局儲氫領域技術，并連續多年申請相關專利。日本在中國相關專利布局整體上穩定且持續，并在2005—2006年、2011—2013 年間呈現申請數量激增情況。日本主要申請機構為松下集團、豐田公司、宇部興產株式會社、湯淺公司、索尼公司等，美國主要申請機構有通用汽車、巴斯夫司、通用電氣等。其他海外申請國還包括法國、英國、加拿大、瑞士等國家。

表1 儲氫專利國內申請人國家來源分布（排名前十） （件）

2.3 申請人專利布局與類型分析

2.3.1 申請人排名及專利布局分析

調查國內儲氫方面專利申請排在前20 的機構，將儲氫相關專利技術分為電源系統/能源綜合系統（含組件相關技術）、燃料電池/蓄電池、儲氫材料/合金、儲氫容器、助力自行車五類，通過技術聚類與人工數據校驗，分析國內重要申請機構專利數量分布，見表2。

表2 國內主要儲氫專利申請機構技術領域分布 （件）

國內儲氫專利集中在儲氫材料/合金、燃料電池/蓄電池、儲氫容器、綜合能源系統利用等技術領域。國內重要相關專利申請機構與重點布局有：浙江大學在儲氫材料及其制備方法、高壓儲氫容器相關技術領域；北京有色金屬研究總院相關專利，主要包括儲氫材料/合金、儲氫裝置（儲氫罐）、儲氫控制系統等技術領域；西安交通大學在電力能源系統、分布式供能系統、太陽能氫電聯產儲能系統等技術領域。

其他申請專利數量較多的機構為日本的三洋電機株式會社、松下電器產業株式會社，儲氫專利主要為蓄電池相關技術，如蓄電池用貯氫合金、鎳氫蓄電池、燃料電池儲氫等，較少在國內布局儲氫容器、儲氫相關技術。

2.3.2 申請人類型分布

我國儲氫領域專利申請人類型見圖2，其中企業申請最為活躍，占主導地位；其次是高校和科研單位，申請量約占總量的1/3，高校和科研單位的專利申請部分與企業合作，受到市場廣泛關注。儲氫領域是對專利依賴度非常高的產業，專利占有量直接反映了相關市場情況。從申請人類型分布上看，企業申請量遠高于科研院校，儲氫專利與市場結合緊密，產業態勢較好。

圖2 儲氫專利申請人類型（國內）

2.4 專利技術構成功效分析

為進一步探索儲氫主要技術分布與技術演變情況，判斷相關應用的技術研發路線，分析國內儲氫專利的技術構成功效。儲氫專利技術功效主要集中在降低復雜性、降低成本、提高安全性與穩定性方面，見表3、表4。

表3 儲氫專利技術功效分析

表4 IPC 分類含義及對應的主要儲氫技術類別

1）降低儲氫復雜性。相關技術專利聚焦于固態儲氫、大容量氫能存儲裝置、燃料電池儲氫、供氫系統等相關技術。由于固態儲氫技術應用已相對成熟，并具有較低的成本優勢，當前技術更關注使用的新材料和新工藝的利用效率提升，如儲氫材料的更新迭代、固態儲氫裝置升級、固態儲氫利用性能提升、綜合能源系統優化等。

2）降低儲氫成本。主要集中在儲氫容器的性能改進、材料制備、生產工藝提升技術，電池電源系統改進技術，液態儲氫利用改進技術，制氫-儲氫-運輸系統技術等。

3）提高儲氫安全性與穩定性。主要聚焦于高壓氣態儲氫、液氫存儲技術，燃料電池氫能利用（太陽能發電、助力自行車），加氫/供氫系統相關技術等。

2.5 法律狀態分析

專利法律狀態信息在專利全生命周期過程中是動態變化的，且類型多樣，一般可分為“有效”和“失效”兩類。利用專利存活率指標，即專利存活量/專利申請量數值可衡量專利的整體質量情況[4]。根據Incopat 數據庫統計，我國儲氫專利總體法律狀態見圖3。截至2022 年5 月，我國儲氫有效專利2 726 件，失效專利2 332 件，審中專利1 659 件，計算總存活率超過0.4。專利數量眾多，有效專利占比較大，符合近年來申請量的快速增長趨勢，一定程度上反映了專利總體質量較高。

圖3 儲氫專利法律狀態分布情況

2.6 行業前景分析

專利技術的生命周期通常分為萌芽期、成長期、成熟期和衰落期，通過申請人數量與專利申請量之間的關系分析判定[5]，見圖4。2003—2014 年間，國內儲氫專利經歷了完整生命周期后，2015 年后國內儲氫技術進入新的快速發展期。2015 年后，部分儲氫技術已達到成熟，但市場對于新技術、新應用有較大需求。由于儲氫技術在氫能利用環節中占據重要地位，上下游相關產業的發展也帶動儲氫技術的投資與發展，市場仍保持著相關技術投資、研發的熱度。

圖4 2003-2021 年國內專利技術生命周期圖

3 結論

1）目前，國內儲氫專利技術持有人大部分為本土申請人。部分研究機構對儲氫領域十分關注并大量研究，包括浙江大學、燕山大學、華南理工大學、西安交通大學、北京有色金屬研究總院、中國科學院金屬研究所等科研院所等。各類型企業申請專利活躍，專利分布總體零散，暫無儲氫領域技術絕對優勢企業。

2）國外主要競爭者來自日本、美國、韓國、德國，重點在氫燃料電池（電化學儲氫）領域布局，并涉及高壓液態儲氫、固態儲氫等領域。技術領先的國家在儲氫領域對中國市場重視不足，尤其是其大型能源企業在中國儲氫方面布局較少，發電/綜合能源系統、動力自行車氫能利用等方面的專利極少。

3）國內儲氫專利覆蓋儲氫各門類相關技術，過度集中于燃料電池系統改進、儲氫容器、儲氫合金等領域，對各類新材料應用于儲氫裝置的嘗試層出不窮，如鎂基、鈦鐵基、鈦錳系儲氫合金等的改進，燃料電池用高容量貯氫合金的優化等。且近年來在氫能發電系統、分布式電源系統、車載儲氫系統等方面申請逐漸增多。

4）在國家相關政策的支持與引導下，近年來國內儲氫技術發展十分活躍，當前處于快速發展期。氫能制備、儲運、利用各個環節相互影響、相互推動，儲氫技術應用技術、場景涌現，成本也在不斷降低，具有良好的發展前景。