國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的專利發(fā)展態(tài)勢研究

摘 要：通過高溫氣化和熱解等熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為富氫合成氣，通過進一步提純分離，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣的清潔高效生產(chǎn)。為洞察生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的研究熱點與創(chuàng)新突破，本研究從技術(shù)專利視角出發(fā)，從專利申請量、申請類型、主要創(chuàng)新主體及地域分布等方面對國內(nèi)相關(guān)專利申請進行分類檢索，分析了國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的發(fā)展趨勢、布局現(xiàn)狀及研究特點。結(jié)果表明，2021年起，國內(nèi)生物質(zhì)制氫相關(guān)技術(shù)專利申請數(shù)量穩(wěn)步上升，產(chǎn)業(yè)布局呈多區(qū)域分布、多主體參與的發(fā)展態(tài)勢，主要申請創(chuàng)新主體位于北京市、江蘇省及廣東省等地；相關(guān)企業(yè)及科研院所在生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)優(yōu)化、工藝集成等方面取得了顯著突破，已形成與國家政策支持及地方傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系的專利布局。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)制氫；熱化學(xué)法；高溫轉(zhuǎn)化；專利分析

中圖分類號：TS7 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 43

氫能作為一種清潔高效的高能量密度能源，被稱為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础Ｄ壳埃澜绺鲊懤m(xù)將發(fā)展氫能確定為國家戰(zhàn)略之一，并積極開展制氫相關(guān)技術(shù)的專利布局［1-2］。我國高度重視氫能技術(shù)的發(fā)展，2022年3月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃 （2021—2035年）》，將氫能確定為未來國家能源體系的重要組成部分及用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)也被確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向；《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》 明確提出，應(yīng)加快氫能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，支持生物質(zhì)制氫等清潔能源技術(shù)的發(fā)展［3］。

目前，制氫領(lǐng)域主要依賴煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源及工業(yè)副產(chǎn)物作為原料，但由于化石資源日漸稀缺與環(huán)境問題日益突出，尋找綠色、環(huán)保的制氫技術(shù)成為發(fā)展清潔氫能的關(guān)鍵。隨著“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的提出，風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)能等可再生能源制氫技術(shù)被廣泛研究。其中，生物質(zhì)能因具有可循環(huán)、可持續(xù)和可再生特性，且來源廣泛、儲量豐富，被譽為世界第四大能源。相比于傳統(tǒng)的化石燃料或工業(yè)副產(chǎn)物，生物質(zhì)能具備顯著的資源高效利用和環(huán)境友好優(yōu)勢，利用生物質(zhì)制氫不僅能有效緩解化石能源消耗和CO2排放問題，還能提升農(nóng)林廢棄物的利用價值，實現(xiàn)可再生資源的循環(huán)利用［4-5］。

生物質(zhì)制氫技術(shù)主要包括生物法和熱化學(xué)法2種轉(zhuǎn)化途徑。生物法主要利用微生物的光合作用或代謝發(fā)酵，分解水或有機物產(chǎn)生H2；但該法受限于微生物種類及活性、溫度、pH 值等因素，產(chǎn)氫效率較低，且產(chǎn)生的H2氣氛中含有一定CO2、甲烷等雜質(zhì)。熱化學(xué)法是指在500～1 000 °C高溫條件下，以氧氣或水蒸氣為氣化劑，通過一系列熱化學(xué)反應(yīng)，將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為以 CO 和 H2為主的合成氣，再經(jīng)水煤氣變換、變壓吸附等工藝提純得到高純H2。相較于生物法，熱化學(xué)法具有制氫效率高、產(chǎn)氫速率穩(wěn)定、工藝可控等優(yōu)勢，可用于處理能源作物、農(nóng)林廢棄物等多種木質(zhì)纖維原料，且高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化熱源可采用生物質(zhì)自供熱、工業(yè)廢熱回收及核能供熱等多種方式，具備商業(yè)化推廣潛力，是一種具有發(fā)展前景的生物質(zhì)制氫技術(shù)［6-8］。

近年來，國內(nèi)關(guān)于生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的專利申請量迅速增加，已有大量專利創(chuàng)新成果取得了顯著的落地成效。專利作為知識產(chǎn)權(quán)的重要表現(xiàn)形式，對其進行分析不僅能夠反映生物質(zhì)制氫的研究熱點與技術(shù)突破，還能夠洞察專利技術(shù)布局，助推生物質(zhì)制氫技術(shù)的科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。本研究將基于我國生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)專利申請的檢索數(shù)據(jù)，通過對專利創(chuàng)新主體、地域分布及申請類型進行分類檢索，對生物質(zhì)熱化學(xué)法制氫技術(shù)的專利競爭格局進行分析，以期為科研機構(gòu)和企業(yè)在生物質(zhì)制氫領(lǐng)域的研發(fā)提供有益啟示。

1 研究方法

本研究圍繞國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，開展系統(tǒng)全面的申請專利檢索。檢索數(shù)據(jù)來源于中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，檢索日期截至2024年11月17日。對檢索得到的初始數(shù)據(jù)進行人工去噪，剔除非相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)據(jù)，共得到國內(nèi)相關(guān)申請專利303件。

2 結(jié)果與討論

2. 1 專利申請量

在303件國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的申請專利中，申請量和授權(quán)量隨申請年份的變化趨勢見圖1。

如圖1所示，國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的布局時間始于2003年，近21年來年均申請量約14件，按申請年份可劃分為3個階段。

第1階段：2003—2015年，共申請專利40件，年均約3件。該時間段內(nèi)，國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)尚處于起步階段，專利申請量總體較少，呈震蕩發(fā)展趨勢。

第2階段：2016—2020年，共申請專利108件，年均約22件。該時間段內(nèi)，國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利申請量總體增加，但仍呈震蕩發(fā)展趨勢。

第3階段：2021—2024年，共申請專利155件，年均約 39 件。該時間段內(nèi)，國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的申請量大幅增加，2023 年達最大值，該變化趨勢與國家發(fā)布的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃緊密相關(guān)。鑒于專利申請公開的滯后性，2024年后專利的申請量有待進一步跟蹤。

總體而言，從 2003 年至今，國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的申請量呈穩(wěn)步上升趨勢，表明生物質(zhì)制氫技術(shù)的創(chuàng)新性在不斷加強，近年來已進入快速發(fā)展階段。

2. 2 專利申請類型

與實用新型專利（主要對產(chǎn)品形狀或構(gòu)造提出的實用創(chuàng)新技術(shù)方案） 相比，發(fā)明專利 （主要對產(chǎn)品、工藝及改進方法提出的創(chuàng)新技術(shù)方案）的技術(shù)門檻更高、審查過程更嚴(yán)格、申請周期也更長。在國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的303件申請專利中，發(fā)明專利共270件，占總申請量的89.1%；實用新型專利共33件，占總申請量的10.9%。更高的發(fā)明專利占比意味著相關(guān)企業(yè)及科研機構(gòu)更傾向于投入大量研發(fā)成本和技術(shù)資源進行開創(chuàng)性、有深度的突破創(chuàng)新，不斷提高自身市場競爭力。

2. 3 主要創(chuàng)新主體

圖2為國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的主要創(chuàng)新主體。由圖 2 可知，在相關(guān)領(lǐng)域申請專利數(shù)量最多的創(chuàng)新主體為廣東合即得能源科技有限公司，共申請專利 18 件；后續(xù)排名依次為：西安交通大學(xué) （14 件）、上海合既得動氫機器有限公司 （9件）、東南大學(xué)（8件）、西安熱工研究院有限公司（8件）、赫普能源環(huán)境科技股份有限公司 （8件）、中國石油化工股份有限公司（6件）。

生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)涉及生物質(zhì)的熱化學(xué)處理工藝，在將其轉(zhuǎn)化為富氫可燃?xì)獠⒎蛛x純化的過程中，國內(nèi)不同創(chuàng)新主體在生物質(zhì)原料處理、制氫流程優(yōu)化及反應(yīng)系統(tǒng)集成等方面的研發(fā)創(chuàng)新均各有側(cè)重，從而形成了各自獨特的專利布局。由統(tǒng)計結(jié)果可得，廣東合即得能源科技有限公司、西安交通大學(xué)及上海合既得動氫機器有限公司在生物質(zhì)制氫領(lǐng)域具有較強技術(shù)實力和競爭力，技術(shù)集中度較高。

2. 4 主要創(chuàng)新主體地域分布

圖3為國內(nèi)生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)專利的主要創(chuàng)新主體地域分布。由圖3可知，國內(nèi)生物質(zhì)制氫產(chǎn)業(yè)布局呈多區(qū)域分布、多主體參與的發(fā)展態(tài)勢，主要申請創(chuàng)新主體來源于北京市、江蘇省及廣東省等地，輻射京津冀、長三角及珠三角地區(qū)；其中，北京市相關(guān)專利申請量在國內(nèi)居于榜首，江蘇省、廣東省次之。北京市眾多高校及科研院所憑借雄厚的科研實力與資源優(yōu)勢，已針對國家重點研發(fā)計劃“可再生能源技術(shù)”重點專項展開了相關(guān)研究，如清華大學(xué)、中國科學(xué)院、華能集團技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司、中國石油化工股份有限公司等；但每個創(chuàng)新主體的專利申請量較小，總體表現(xiàn)為布局零散、總量龐大的專利分布格局［9］。江蘇省是我國較早開始布局氫能產(chǎn)業(yè)的地區(qū)之一，也是我國重要的氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)［10］。近年來，江蘇省高度重視生物質(zhì)制氫技術(shù)的發(fā)展，省內(nèi)東南大學(xué)在生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)領(lǐng)域取得了諸多研究成果，其專利技術(shù)已推動國內(nèi)首臺套生物質(zhì)氣化——化學(xué)鏈制氫多聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用研究中試項目成功“點火”［11］。在當(dāng)前綠色低碳發(fā)展、氫能循環(huán)經(jīng)濟的背景下，廣東省高效利用當(dāng)?shù)刎S富的農(nóng)林廢棄物資源，積極開發(fā)生物質(zhì)化學(xué)鏈制氫的綜合技術(shù)［12-13］，布局氫能及燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)專利。綜上所述，在生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)專利申請的主要創(chuàng)新主體地域分布特點與國家政策支持導(dǎo)向及地方傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系。

2. 5 重點專利技術(shù)透視

國內(nèi)創(chuàng)新主體在生物質(zhì)制氫領(lǐng)域布局了大量專利，針對生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化的工藝流程、制氫系統(tǒng)及反應(yīng)裝置等關(guān)鍵技術(shù)，已形成各自的專利保護網(wǎng)絡(luò)。通過對生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫的重點專利技術(shù)進行全面分析，能夠清晰洞察并把握生物質(zhì)制氫技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和創(chuàng)新趨勢。

目前，國內(nèi)生物質(zhì)制氫技術(shù)已具備一定商業(yè)化的可行性，但整體技術(shù)成熟度還有待提高，生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化控制還需進一步改進。近年來，生物質(zhì)制氫專利技術(shù)注重多工藝的協(xié)同作用，以提升生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化效率。2020年，中國石油化工股份有限公司提出“一種生物質(zhì)制氫方法和系統(tǒng)”的發(fā)明專利［14］；該發(fā)明通過炭化-氣化組合的高溫?zé)峄瘜W(xué)工藝將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為H2，具有工藝簡單、制氫效率高、能量利用率高等優(yōu)點。具體制氫工藝為：首先利用碳化反應(yīng)器處理生物質(zhì)原料，得到生物焦和揮發(fā)分氣體；再將生物焦與氣化催化劑混合均勻送入氣化反應(yīng)器，在700～950 ℃高溫下與水蒸氣接觸反應(yīng)生成氣化氣，進一步經(jīng)水汽變換反應(yīng)、變壓吸附處理后制備得到H2產(chǎn)品。同年，中國船舶重工集團環(huán)境工程有限公司提出“一種生物質(zhì)制氫裝置”的實用新型專利［15］；該專利主要針對農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)原料，有效結(jié)合了熱化學(xué)法制氫與生物法制氫的優(yōu)勢，首先利用產(chǎn)氫產(chǎn)酸系統(tǒng)和產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的生物發(fā)酵作用生產(chǎn)H2和甲烷，再將甲烷進一步送入天然氣制氫系統(tǒng)，在850～900 °C高溫下進行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，最后提純得到H2產(chǎn)品。

焦油是生物質(zhì)熱解或氣化的副產(chǎn)物，易堵塞管道設(shè)備并降低H2品質(zhì)，因此，焦油去除和催化劑失活是生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫的核心挑戰(zhàn)。2022年，西安交通大學(xué)提出“一種生物質(zhì)制氫系統(tǒng)與制氫方法”的發(fā)明專利［16］；該發(fā)明以生物質(zhì)碳為催化劑對焦油進行催化重整，有效提高了H2產(chǎn)量；首先在450～550 ℃高溫下將生物質(zhì)原料碳化為生物質(zhì)炭，再在 700～800 ℃高溫下對生物質(zhì)炭進行活化，并將其作為吸附劑和催化劑，在1 000 ℃高溫下對生物質(zhì)原料氣化后的氣體和氣態(tài)焦油進行重整和變壓吸附，最終制備得到純度80％～90％的H2產(chǎn)品。2024年，東南大學(xué)提出“一種生物質(zhì)負(fù)碳制氫裝置及方法”的發(fā)明專利［17］；該發(fā)明通過對“內(nèi)外偶聯(lián)式移動床氣化-還原-制氫”一體化反應(yīng)器、油氣分布室等裝置進行設(shè)計改進，實現(xiàn)了在生物質(zhì)連續(xù)進料的同時減少高溫氣化氣中的焦油含量，降低載氧體的積炭量，同時獲得高純CO2和H2。

盡管生物質(zhì)制氫在提升能源轉(zhuǎn)換效率上具有應(yīng)用潛力，但由于原料預(yù)處理能耗高、催化劑價格高及規(guī)模效應(yīng)不足等問題，生物質(zhì)制氫在經(jīng)濟性方面成本仍普遍高于傳統(tǒng)制氫方法，降低生產(chǎn)成本對推動生物質(zhì)制氫產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。2024年，華北電力大學(xué)提出“生物質(zhì)熱解氣自供熱重整制氫系統(tǒng)”的發(fā)明專利［18］；該發(fā)明通過生物質(zhì)熱解氣重整制氫與熱化學(xué)儲熱的有機耦合，有效解決制氫過程中的余熱回收問題，實現(xiàn)生物質(zhì)熱解氣重整的自供熱和低成本制氫，有效提升了資源利用效率。2024 年，東南大學(xué)提出“一種基于疊式流化床鈣循環(huán)氣化爐的生物質(zhì)氣化制氫系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本評估方法”的發(fā)明專利［19］；該發(fā)明基于疊式流化床鈣循環(huán)氣化爐的生物質(zhì)氣化制氫系統(tǒng)，提出生物質(zhì)氣化制氫平準(zhǔn)化成本的經(jīng)濟性評估方法，可為不同規(guī)模生物質(zhì)制氫工廠的規(guī)劃建設(shè)和發(fā)展提供有效的科學(xué)參考。

3 結(jié) 語

生物質(zhì)制氫是氫能綜合利用的重要組成部分，大力發(fā)展生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的客觀需要，也是助推全球能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。催化氣化與熱解、化學(xué)鏈制氫、工藝集成等方面的專利技術(shù)突破不僅展現(xiàn)了生物質(zhì)制氫領(lǐng)域新興的研究方向，還為生物質(zhì)制氫產(chǎn)業(yè)化提供了有力支持。

為實現(xiàn)生物質(zhì)制氫的經(jīng)濟性和規(guī)模化應(yīng)用，相關(guān)企業(yè)及科研機構(gòu)一方面應(yīng)充分重視現(xiàn)有專利創(chuàng)新成果，適時調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向；此外，還應(yīng)以自身積累較多的技術(shù)優(yōu)勢為重點，積極開展國際專利布局，促進全球生物質(zhì)制氫技術(shù)合作與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。另一方面，應(yīng)加強產(chǎn)學(xué)研深度協(xié)同，在生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫工藝優(yōu)化、催化劑設(shè)計、多聯(lián)系統(tǒng)集成等方向發(fā)力，破解催化劑穩(wěn)定性、成本控制和環(huán)境可持續(xù)性等核心瓶頸，持續(xù)培育生物質(zhì)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的核心競爭力，加速科技成果落地轉(zhuǎn)化。

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