氫能產(chǎn)業(yè)專利布局及發(fā)展趨勢研究

王明辰

摘 要：【目的】氫能是一種綠色環(huán)保的二次能源，通過和綠色能源結(jié)合可以實現(xiàn)可持續(xù)的氫利用，極大地緩解全球當(dāng)前的能源危機問題。通過專利分析了解氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀是我國發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的重要課題。【方法】對氫氣能源產(chǎn)業(yè)的宏觀專利數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，由產(chǎn)業(yè)格局演進(jìn)、主要布局國家、全球創(chuàng)新主體構(gòu)成等多個角度重點分析研究了氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的專利布局及發(fā)展趨勢。【結(jié)果】中、美、日、德、韓占據(jù)核心技術(shù)和廣闊市場，同時也是重要的專利來源地和布局地。我國在氫能產(chǎn)業(yè)有較強的實力，科研機構(gòu)是氫能產(chǎn)業(yè)重要的創(chuàng)新力量之一。【結(jié)論】短期來看，我國應(yīng)當(dāng)優(yōu)先著力氫能應(yīng)用領(lǐng)域。但從中長期看，我國應(yīng)當(dāng)逐步注重氫能上游領(lǐng)域的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：氫氣；新能源；專利數(shù)據(jù)；發(fā)展趨勢。

中圖分類號：TK91；G306? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0136-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.027

Research on Patent Layout and Development Trend of Hydrogen

Industry

WANG Mingchen

（China Patent Technology Development Corporation，Hua Zhi Shu Chuang （Beijing） Technology Development Co.， LTD，Beijing 100044，China）

Abstract： [Purposes] Hydrogen energy is a kind of green secondary energy， through the combination with green energy can achieve sustainable hydrogen utilization， greatly alleviate the current global energy crisis. It is an important subject for the development of hydrogen industry to understand the current situation of hydrogen industry technology through patent analysis. [Methods] The macro patent data of hydrogen energy industry were analyzed statistically， and the patent layout and development trend of related technologies in hydrogen energy industry were analyzed from the perspectives of industry pattern evolution， major distribution countries and global innovation bodies. [Findings] China， the United States， Japan， Germany and South Korea occupy the core technology and the vast market， and are also the important source and distribution of patents. China has a strong strength in the hydrogen energy industry， and its scientific research institutions are one of the important innovation forces in the country's hydrogen energy industry. [Conclusions] In the short term， our country should give priority to the application area of hydrogen energy. In the long term， we should focus on the upstream of hydrogen energy.

Keywords： hydrogen; new energy; patent data; development trend

0 引言

氫能源作為一種能夠快速可再生和零排放的替代燃料，常被稱作21世紀(jì)的“終極能源”，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通運輸、建筑、電力等行業(yè)，氫能的開發(fā)與利用已經(jīng)成為世界新一輪能源變革的主要方向之一，是未來世界各國能源技術(shù)變革的戰(zhàn)略制高點［1］。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，氫能的開發(fā)利用成為了節(jié)能減排和產(chǎn)業(yè)綠色升級轉(zhuǎn)型的工作重點。氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋制氫、儲氫、運氫、用氫等多個節(jié)點，每個節(jié)點又有多條技術(shù)路線［2］。總體來說，美國、歐盟、日韓、澳大利亞等世界主要發(fā)達(dá)國家，已依據(jù)自身實際情況大力培育各自的氫能產(chǎn)業(yè)，制定了詳細(xì)的發(fā)展路線圖，發(fā)布了氫能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，明確未來的發(fā)展方向。我國政府大力支持氫能發(fā)展，將其上升至國家戰(zhàn)略高度，各地方政府和央企也積極開展氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)布局，初步建立了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范應(yīng)用的全氫能產(chǎn)業(yè)鏈［3］。

本研究綜合分析各數(shù)據(jù)庫的特點，采用國家知識產(chǎn)權(quán)局官方檢索系統(tǒng)及其他相關(guān)專利數(shù)據(jù)庫。以氫能產(chǎn)業(yè)的氫氣制備、氫氣運輸、氫氣儲藏、燃料電池等重要技術(shù)作為主要檢索入口，檢索截止日為2022年6月30日。鑒于專利文獻(xiàn)存在延遲公開的屬性，部分申請日在檢索終止日之前18個月內(nèi)的發(fā)明專利申請因未公開而未被檢索到，因此2021年和2022年特別是后者的數(shù)據(jù)相對有所缺失。

1 產(chǎn)業(yè)格局演進(jìn)

氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)專利申請趨勢如圖1所示，可以看出，氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了較長的發(fā)展階段時。早在20世紀(jì)初期已有少量相關(guān)專利申請；20世紀(jì)70年代，氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)開始小規(guī)模增長；20世紀(jì)90年代，各分支申請量出現(xiàn)明顯的增長，尤其是在燃料電池和制氫領(lǐng)域，這一時期的專利貢獻(xiàn)者以發(fā)達(dá)國家為主。2014年，在多國政策的大力支撐下，氫能產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展高峰。

主要國家專利申請量趨勢如圖2所示，可以看出，各國的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展截然不同，申請量增長呈現(xiàn)出由21世紀(jì)初美國、日本等發(fā)達(dá)國家主導(dǎo)，至近幾年中國等發(fā)展中國家逐漸趕超的趨勢。在20世紀(jì)90年代增長的一波熱潮中，日本和美國成為氫能發(fā)展的引領(lǐng)者，專利申請量也隨之迅速增加。美、日、德、韓等國在2005年左右就已經(jīng)達(dá)到了申請量的巔峰。中國前期發(fā)展較慢，但近些年在國家環(huán)保意識不斷提高和相關(guān)政策的促進(jìn)支持下，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將迎來新的增長點。

2 主要布局國家

主要國家和地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)整體專利來源如下：中國申請量為4.3萬項，占比為31.4%（其中，臺灣地區(qū)申請量為1 620項，占比為1%）；日本申請量為4.1萬項，占比為30.2%；美國申請量為2.1萬項，占比為15.2%；德國申請量為8 767項，占比為6.4%；韓國申請量為7 755項，占比為5.7%；英國、法國及歐專局申請量均為2 000項左右，占比6%；其他國家和地區(qū)申請量為6 735項，占比為4.9%。由此可見，在全球氫能產(chǎn)業(yè)專利技術(shù)來源內(nèi)，中、日、美呈現(xiàn)“三足鼎立”之勢。

主要國家和地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)整體專利布局如圖3所示，在中國布局專利數(shù)量為6.6萬項，占比為18.0%；日本布局專利數(shù)量為5.8萬項，占比為16.0%；美國布局專利數(shù)量為4.7萬項，占比為13.0%；在德國和韓國分別布局專利2.7萬項和1.9萬項，分別占7.6%和5.2%；其他國家占比為15.6%。

3 全球創(chuàng)新主體構(gòu)成

排名前20的氫能產(chǎn)業(yè)支柱型企業(yè)見表1。可以看出，目前全球氫能產(chǎn)業(yè)的支柱型企業(yè)多來自日本，這也印證了日本在氫能源領(lǐng)域是具有一定先發(fā)優(yōu)勢和雄厚技術(shù)儲備的。以豐田為例，豐田是世界十大汽車工業(yè)公司之一，創(chuàng)立于1933年。豐田的專利JP6164199B2公開了一種電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法，燃料電池的電壓控制方法包括：在低負(fù)載狀態(tài)時，切斷燃料電池與負(fù)載的電連接；在將電連接的切斷期間，以預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給氧。

國內(nèi)高校在氫能領(lǐng)域的專利申請情況見表2。可以看出，清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)和上海交通大學(xué)排在前三名，分別申請專利601項、592項和492項。排名前十高校申請人專利申請量差距較小，研發(fā)熱點主要集中在燃料電池領(lǐng)域，前十高校申請人的申請量占全部高校申請量的20.8%。

其中，清華大學(xué)的主要研究方向為燃料電池和制氫，分別占其氫能領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?2.7%和32.6%。清華的專利US9105935B2公開了一種燃料電池膜電極的制備方法，其包括以下步驟：提供一多孔模板；在該多孔模板的孔洞內(nèi)形成具有電子導(dǎo)電性的管狀載體；在所述管狀載體的內(nèi)壁中均勻附著多個催化劑顆粒；在所述附著有多個催化劑顆粒的管狀載體內(nèi)注入質(zhì)子導(dǎo)體；提供一質(zhì)子交換膜，并將該質(zhì)子交換膜夾持在上述兩個多孔模板間以形成一層疊結(jié)構(gòu)，熱壓該層疊結(jié)構(gòu)；去除所述經(jīng)過熱壓的層疊結(jié)構(gòu)中的多孔模板，僅留下所述被質(zhì)子導(dǎo)體填充且管壁附著有催化劑顆粒的管狀載體，該管狀載體的一端與所述質(zhì)子交換膜相連以使所述質(zhì)子導(dǎo)體與所述質(zhì)子交換膜相接觸，從而獲得所述膜電極。

科研院所在氫能領(lǐng)域的專利申請情況見表3。與高校不同的是科研機構(gòu)呈現(xiàn)出“一家獨大”的申請態(tài)勢，其中，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所以1 263項申請排在首位，中科院長春應(yīng)用化學(xué)物理研究所和中科院理化技術(shù)研究所分別以109項專利申請和106項專利申請排在第二、三名。此外，從申請人所屬機構(gòu)來看，中科院系申請人為該領(lǐng)域的主要創(chuàng)新主體。

其中，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所圍繞國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，設(shè)立了我國能源領(lǐng)域籌建的第一個國家實驗室，以及燃料電池及氫源技術(shù)國家工程中心等多個國家級科技創(chuàng)新平臺。大連化物所的專利CN101752577B公開了一種在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）內(nèi)部凈化陰極反應(yīng)氣的方法。其方法是在陰極的制備過程中，于微孔層內(nèi)將Vulcan XC-72炭黑中的一部分用高導(dǎo)電性石油焦質(zhì)活性炭取代，由于活性炭中含有的巨大比表面積和豐富的吸附活性位，擴散層也具備了消除雜質(zhì)的功能，使得電池內(nèi)部吸附雜質(zhì)氣體的能力得到了增強。采用本發(fā)明的方法可有效地提高質(zhì)子交換膜燃料電池抗毒化的能力，增強了燃料電池的環(huán)境適應(yīng)性，使其在空氣質(zhì)量較差地區(qū)運行時的耐久性得到改善，從而推動燃料電池的發(fā)展。

4 結(jié)語

通過對氫能產(chǎn)業(yè)的專利數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)格局演進(jìn)、主要布局國家、全球創(chuàng)新主體等多個角度的重點分析，研究了該領(lǐng)域的專利技術(shù)發(fā)展情況，得出如下結(jié)論。

①氫能產(chǎn)業(yè)主要指氫氣作為能源應(yīng)用形成的產(chǎn)業(yè)鏈集群，整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈大致可以分為“上游制氫技術(shù)及裝備—中游儲運加氫技術(shù)及裝備—下游燃料電池系統(tǒng)”三個環(huán)節(jié)。

②氫能在20世紀(jì)中期便開始應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，民用領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)石油危機時期。目前，中、美、日、德、韓占據(jù)技術(shù)高地和商業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢，同時也是第一梯隊的專利來源地和布局地。中國在三個技術(shù)領(lǐng)域均有較強的實力，美國在氫能儲運和燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先；而日本和歐洲基礎(chǔ)設(shè)施布局超前，燃料電池技術(shù)國際領(lǐng)先；燃料電池汽車領(lǐng)域主要由日、韓、德三個國家的企業(yè)主導(dǎo)，而中國受制于多種因素，更加重視商用車的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。未來3—5年，各國計劃投資額基本都達(dá)到數(shù)十億美元，到2050年左右，各國計劃氫能在終端能源中的應(yīng)用基本會達(dá)到10%以上。

③氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈主要的參與主體包括企業(yè)、科研機構(gòu)和人才。在綜合創(chuàng)新活躍度指標(biāo)、專利質(zhì)量指標(biāo)、核心專利、產(chǎn)業(yè)覆蓋度等專利指標(biāo)評價和背景調(diào)研后，篩選出各層次創(chuàng)新要素的重點名單。企業(yè)主體方面確定了支柱型企業(yè)、創(chuàng)新型企業(yè)和新進(jìn)入企業(yè)名單，其中：支柱型企業(yè)國際上依舊以日本汽車集團(tuán)、電子產(chǎn)品集團(tuán)為主，如日本豐田、日產(chǎn)、松下、本田、東芝等。而國內(nèi)科研機構(gòu)孵化企業(yè)則更具優(yōu)勢，如依托大連化物所發(fā)展而來的新源動力、依托清華大學(xué)發(fā)展的上海神力科技等；創(chuàng)新型企業(yè)側(cè)重于對區(qū)域內(nèi)企業(yè)具有一定的影響力的企業(yè)，如國內(nèi)的廣東合即得、東方電氣、山東東岳未來等；新進(jìn)入企業(yè)側(cè)重于進(jìn)入行業(yè)晚但在市場競爭中具有優(yōu)勢和持續(xù)發(fā)展能力的企業(yè)。如鴻基創(chuàng)能、中氫新能源等。科研機構(gòu)是我國氫能產(chǎn)業(yè)重要的創(chuàng)新力量之一，國內(nèi)高等院校主要以清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)等為主；中科院系研究所包括在制氫方向有突出成果的中科院理化技術(shù)研究所、聚焦于燃料電池的中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所以及在覆蓋氫能各個環(huán)節(jié)的中科院大連化學(xué)物理研究所等。

④綜合來看，我國是世界第一產(chǎn)氫大國，具有發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的優(yōu)良條件，未來具有廣闊的發(fā)展空間。從短期發(fā)展規(guī)劃來看，我國應(yīng)當(dāng)著力氫能應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是氫燃料電池、燃料電池車及加氫站建設(shè)。而從中長期發(fā)展規(guī)劃看，我國應(yīng)當(dāng)注重上游的可再生能源制氫、電解槽等賽道，以及中游的液氫儲運、輸氫管道建設(shè)等。

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