專利視角下我國固體氧化物燃料電池技術現狀與發展分析

鄢春根 ，袁鴻濤 ，徐笑陽 ，陳 亮

(1. 景德鎮陶瓷大學 知識產權信息中心，江西 景德鎮 333001；2. 景德鎮陶瓷大學 江西省燃料電池材料與器件重點實驗室，江西 景德鎮 333001)

0 引 言

隨著經濟的快速發展以及人口的擴張，能源短缺與環境污染問題變得日益嚴峻。我國的能源結構以煤炭為主，石油、天然氣為輔，且化石燃料的利用技術落后，因此開發綠色環保、高效便捷的新型能源技術就顯得尤為重要。燃料電池(Fuel Cell)是一種將儲存在燃料中的化學能轉變為電能的發電裝置，具有發電效率高、綠色環保等優點[1]。根據電解質的不同，可以將燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池與固體氧化物燃料電池五類[2]。

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種以氧化物陶瓷為電解質，高溫下將燃料中的化學能轉變為電能的全固態化學發電裝置[3]。SOFC具有發電效率高、燃料使用面廣、余熱利用價值高、結構簡單、無需使用貴金屬作電極催化劑的優點，在固定式大中型電站、分散式小型電站、移動式電源、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發電系統領域有著極其廣泛的應用前景[4]。

我國關于固體氧化物燃料電池的研究開始于1970年代，目前有中國科學院上海硅酸鹽研究所、吉林大學、中國科學院過程工程研究所、中國科學院大連化學物理研究所、華中科技大學等單位開展SOFC的研究。中國上海硅酸鹽研究所和吉林大學分別在固體氧化物電解質、電極材料制備方面做了大量工作；華南理工大學在單電池制備方面了開展了研究；中國科學院過程工程研究所和俄羅斯合作開展了SOFC電池堆和系統集成方面的工作；中國科學院大連化學物理研究所目前已經掌握SOFC電極的制備工藝，基本解決了高溫密封技術難題，能夠組裝管式和平板式電池；華中科技大學實現了國內首臺5KW級SOFC獨立發電系統的集成與初始運行[5-8]。總體來說，我國SOFC研發水平與日本、美國等發達國家的先進水平還有很大差距，SOFC技術的發展顯得尤為迫切。

專利信息集技術、經濟、法律信息為一體，具有技術新穎性、技術廣泛性、技術可靠性、公開易獲取的特點[9]。因此，本文通過對我國固體氧化燃料電池的專利文獻進行檢索、數據處理、圖表可視化，從專利申請趨勢、法律狀態分布、創新主體、主要發明人、技術布局、技術發展路線等方面進行分析，揭示我國固體氧化物燃料電池技術的發展現狀和發展路線，為國內固體氧化物燃料電池的技術創新與管理者提供參考。

1 樣本檢索

本文以合享智慧科技有限公司的incoPat數據庫為數據來源，以2018年8月12日為檢索截止時間，利用固體氧化物、固態氧化物、燃料電池、SOFC、H-SOFC、SOFCs等關鍵詞與名稱摘要檢索字段組配，以及氧化鋯、氧化鈰、 氧化鉍、鎵酸鑭、鈰酸鋇、硅酸鑭、YSZ、GDC、SSZ 、SDC、DCO與專利分類號H01M相結合的檢索方法，共檢索出2486件固體氧化物燃料電池在華專利申請數據，經過數據的加工處理得到1817條在華專利申請，其中包含1686件發明專利申請、131件實用新型專利申請。

2 固體氧化物燃料電池專利分析

2.1 專利申請趨勢分析

固體氧化物燃料電池技術在1985-2018年的在華專利申請量為1817件，申請量的趨勢見圖1。

從圖1可以看出，自從我國1985開始實施專利法，美國西屋電氣公司就于同年向國家知識產權局申請了第一件關于固體氧化物燃料電池裝置的專利。中國科學院化工冶金研究所(中國科學院過程工程研究所前身)于1997年申請了一件關于固體氧化物燃料電池的結構及其聯接方法的專利。2001年之前，固體氧化物燃料電池的專利申請量基本處于10件以下；2001年開始，專利申請量開始快速增長，2008年以后專利申請量破百，2016年專利申請量最多達177件；因為發明專利公開滯后的原因，2017和2018年的專利申請數量應該要比圖1顯示的要更多。總體來說，固體氧化物燃料電池技術的專利申請呈增長趨勢。

圖1 固體氧化物燃料電池專利申請趨勢分析Fig.1 Trend analysis of patent applications in domestic solid oxide fuel cell field

2.2 申請來源國分析

1817件固體氧化物燃料電池在華專利申請中，國內申請人共申請1109件專利，約占總申請量的61%，其中發明專利申請978件，實用新型專利131件。國外申請人在華申請708件發明專利，約占總申請量的39.2%。日本、美國、丹麥、韓國、英國、德國、法國、荷蘭等國家的固體氧化物燃料電池創新主體非常重視在華進行專利布局，日本和美國的創新主體更是分別在華布局了288件和193件專利，一定程度上也可以反映日本和美國在固體氧化物燃料電池領域處于領先地位。

圖2 固體氧化物燃料電池專利申請來源國分布分析Fig.2 Source countries distribution analysis of the patent applications in domestic solid oxide fuel cell field

2.3 專利法律狀態分布分析

圖3為在華固體氧化物燃料電池專利的一級和二級法律狀態分析，從圖中可以看出，固體氧化物燃料電池專利處于在審狀態的有426件，約占總申請量的24%，處于有效狀態的有659件，約占總申請量的36%，處于失效狀態的有732件，約占總申請量的40%。失效專利中，因權利的終止導致專利失效的有312件，約占總申請的17%，權利的終止原因有未繳年費和有效期屆滿，固體氧化物燃料電池權利終止專利主要是因為未繳年費；因專利權的放棄導致失效的專利有31件；因撤回導致專利失效的專利有303件，約占總申請量的17%，撤回主要是因為發明專利申請公布后不請求實質審查的視為撤回；因駁回導致專利失效的專利有86件，約占總申請量的5%，駁回的原因是因為發明專利申請的駁回。導致固體氧化物燃料電池技術專利的失效原因主要是因為未繳年費而致專利權終止和發明專利申請公布后的視為撤回，一定程度上反映了我國固體氧化物燃料電池的專利質量和專利管理水平有待提高。

2.4 創新主體分析

圖3 固體氧化物燃料電池法律狀態分布分析Fig.3 Analysis of legal state distribution in domestic solid oxide fuel cell field

圖4 固體氧化物燃料電池創新主體類型分析Fig.4 Type analysis of the patent applicants in domestic solid oxide fuel cell field

圖4為固體氧化物燃料電池創新主體類型分析，圖5為固體氧化物燃料電池創新主體專利運營分析，圖6為固體氧化物燃料電池前10名創新主體分析。從圖4可以看出，我國固體氧化物燃料電池專利的創新主體類型有企業、高校、科研單位、個人、機關團體，專利申請量分別為836件、695件、223件、51件、12件。從圖5可以看出，我國固體氧化物燃料電池專利有87件涉及專利運營，專利運營是指通過專利的引進、集中和專利價值分析，通過專利轉讓、專利許可、專利質押、專利投資等方法來促進專利技術的應用和轉化，實現專利的市場價值并提高競爭對手準入門檻的過程[10]。87件存在運營的專利中，有38件是國內創新主體申請的，有49件是國外創新主體申請的，國內創新主體涉及專利運營的主要是高校和科研單位，國外創新主體涉及專利運營的主要是企業。結合圖4和圖5，可以看出固體氧化物燃料電池國內創新主體以高校和科研單位為主，國外創新主體以企業為主，說明了國內創新主體在固體氧化物燃料電池領域的專利以實驗室研究為主，創新能力強的企業還不多，專利市場轉化率不高。

圖5 固體氧化物燃料電池創新主體專利運營分析Fig.5 Patent operation analysis of patent applicants in domestic solid oxide fuel cell field

圖6 固體氧化物燃料電池前10名創新主體分析Fig.6 Analysis of the top 10 patent applicants in domestic solid oxide fuel cell field

從圖6可以看出，固體氧化物燃料電池領域的前10名創新主體是東陶公司、中國科學院大連化學物理研究所、哈爾濱工業大學、華中科技大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、清華大學、通用電氣公司、福州大學和中國科學技術大學，專利申請量分別為79件、73件、70件、57件、52件、42件、33件、32件、31件和29件。前10名創新主體中有5所大學，3所科研單位，2所企業，高校和科研單位都來自國內，2所企業都來自國外。前10名創新主體共申請498件專利，約占總申請量的27.4%，專利集中度不高，并沒有形成壟斷優勢。

2.5 主要發明人分析

科技創新是社會發展的源泉，專利的數量及質量在很大程度上體現了一個國家、企事業單位的創新能力，而各個單位的創新技術產出依賴于科技工作者即發明創造人。固體氧化物燃料電池專利前10名發明人分析如表1。

從表1可以看出，固體氧化物燃料電池專利前10名發明人是程謨杰、李箭、王蔚國、呂喆、蒲健、王紹榮、韓敏芳、土屋勝久、池波、黃喜強，參與發明創造的專利分別有66件、52件、45件、43件、43件、41件、40件、36件、36件、35件。前10名發明人中，有6人來自高校，有3人來自科研院所，有1人來自企業。其中李箭、蒲健和池波來源于華中科技大學，呂喆和黃喜強來源于哈爾濱工業大學，程謨杰來自中國科學院大連化學物理研究所，王蔚國來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所，王紹榮來自中國科學院上海硅酸鹽研究所，韓敏芳來自于中國礦業大學，土屋勝久來源于日本的東陶公司。從前10名發明人來看，國內發明人全部來自高校和科研單位，國外發明人來自企業，一定程度可以反映了華中科技大學和哈爾濱工業大學在固體氧化物燃料電池領域形成了較強的科研團隊。

2.6 技術布局分析

國際專利分類號(IPC)是國際上通用的專利技術分類規則，通過統計分析固體氧化物燃料電池專利的專利分類號分布情況，得出固體氧化物燃料電池技術所涉及的下類相關技術分支。表2為國內固體氧化物燃料電池專利申請前10個IPC大組分布情況，表3為國內固體氧化物燃料電池專利申請前10個IPC小組分布情況。

從表2中可以看出，固體氧化物燃料電池專利申請最集中的10個IPC大組為H01M8(燃料電池及其制造)、H01M4(燃料電池電極材料以及制備工藝)、H01M2(燃料電池堆連接體、密封部件等部件)、C04B35(燃料電池電解質等部件的陶瓷原材料)、C03C8(電池堆密封體原材料)、G01R31(電池測試裝置)、F02C6(固體氧化物燃料電池與燃氣輪機組成的系統)、C22C38(電池堆連接體原材料)、H02J7(以固體氧化物燃料電池為電源的充電或者供電裝置)、C01B3(燃料電池系統燃料的重整器或燃料重整方法)。

從表3可以看出，固體氧化物燃料電池專利申請最集中的10個IPC小組分別為H01M8/02(燃料電池零部件)、H01M8/10(固體電解質的燃料電池)、H01M4/86(用催化劑活化的惰性電極)、H01M8/12(高溫工作的固體電解質的燃料電池)、H01M8/04(燃料電池的輔助裝置)、H01M4/88(用催化劑活化的惰性電極的制造方法)、H01M8/24(燃料電池堆)、H01M4/90(惰性電極催化材料的選擇)、H01M8/06(燃料電池與制造反應劑或處理殘物裝置的結合)、H01M8/1016(固體電解質燃料電池的電解質材料)。

表1 固體氧化物燃料電池專利前10名發明人分析Tab.1 Analysis of the top 10 inventors in domestic solid oxide fuel cell field

表2 國內固體氧化物燃料電池專利前10個IPC大組技術內容一覽表Tab.2 List of patent technologies of top 10 IPC large groups in domestic solid oxide fuel cell field

表3 國內固體氧化物燃料電池專利前10個IPC小組分布Tab.3 List of patent technologies of top 10 IPC small groups in domestic solid oxide fuel cell

結合表2和表3，固體氧化物燃料電池的專利主要以電池零部件、電解質、電極、電池堆、電池系統為主。

2.7 技術發展路線分析

專利信息從本質上屬于一種技術經濟信息，全球90%-95%的科研成果以專利文獻形式體現，通過對專利文獻的解讀可以大致看出技術發展路線。固體氧化物燃料電池的技術發展路線分析見圖7。

從圖7中可以看出，固體氧化物燃料電池的發展主要依賴于工藝、結構和材料的改進。工藝上主要是電解質的薄膜化制備工藝，中國科學院化工冶金研究所申請了一件專利CN1271969A，提供了一種電解質薄膜化制備技術。

從電池的結構設計上，主要經歷了從管式、平板式、瓦楞式結構的改進，美國西屋電氣公司于1985年申請了一件公開號為CN85105685A的專利，涉及一種管式固體氧化物燃料電池堆，中國科學院化工冶金研究所于1997年申請了一件公開號為CN1192059A的專利，涉及一種平板式電池堆，蘇州諾信創新能源有限公司于2013年申請了一件專利CN103326051A，涉及一種瓦楞式電池堆，瓦楞式的PEN本身形成氣體通道而不需要用平板式中的雙極連接板，有效工作面積比平板式大，單位體積功率密度大。

圖7 國內固體氧化物燃料電池技術發展路線分析Fig.7 Analysis of technology development route in domestic solid oxide fuel cell

材料方面主要涉及電解質材料、陽極材料和陰極材料的改進，電解質材料主要經歷了ZrO2基、Bi2O3集、CeO2基、LaGaO3、BaCeO3類質子導體、氧化物-無機鹽、復合氧化物、磷灰石類的改進，英國的核子燃料公司于1986申請了一件公開號為CN1183855A的專利，涉及一種以氧化釔穩定的氧化鋯為電解質的固體氧化物燃料電池，美國的AEP艾姆泰克股份有限公司于1999年申請了一件公開號為CN1308780A的專利，涉及一種以氧化鈮穩定化的氧化鉍陶瓷燃料電池，英國塞瑞斯動力有限公司申請了一件專利CN1476647A，涉及一種以氧化釓摻雜的氧化鈰為電解質的燃料電池，清美化學股份有限公司于2002年申請一件公開號為CN1586020A的專利，涉及一種以鎵酸鑭為電解質的固體氧化物燃料電池，松下電器產業株式會社于2003年申請了一件公開號為CN1917264A的專利，涉及一種以質子導體鈰酸鋇為電解質的固體氧化物燃料電池，清華大學則于2005年申請了一件CN1697223A專利，涉及一種鋅摻雜氧化鈰－無機鹽復合電解質，施秀英于2008年申請了一件公開號為CN101320814A的專利，涉及一種復合氧化物電解質，例如LiZn氧化物包裹釤摻雜氧化鈰(SDC)的電解質復合材料，武漢工程大學于2009年申請了一件公開號為CN101572322A的專利，涉及一種硅酸鑭氧基磷灰石型固體電解質；陽極材料主要經歷了金屬陶瓷材料、鈣鈦礦氧化物陶瓷材料、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進，英國的核子燃料公司于1986申請了一件CN1183855A專利，涉及一種以氧化鎳-氧化鋯的金屬陶瓷材料為陽極的燃料電池，哈爾濱工業大學于2004年申請了一件專利 CN1665056A，涉及一種鎵酸鑭基固體氧化物的陽極材料，吉林大學于2016年申請了一件公開號為CN105576252A的專利，涉及一種有p型半導體特性的質子/氧離子導體陽極材料(例如：LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-y，其中x、y、z是非化學計量數，x、y、z均大于-1且小于1)；陰極材料主要經歷了鈣鈦礦類氧化物(LSC、LSM等)、類鈣鈦礦類氧化物(K2NiF4結構等)、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進，英國的核子燃料公司于1986申請了一件CN1183855A的專利，涉及一種以LSC為陰極材料的燃料電池，黑龍江大學于2005年申請了一件專利CN1731607A，涉及一種Sr0.5Sm1.5NiO4陰極材料，吉林大學則于2016年申請了一件公開號為CN105576252A的專利，涉及一種有具有n型半導體特性的質子/氧離子導體陰極材料。

綜上，固體氧化物燃料電池的關鍵技術主要是工藝、結構和材料的改進。工藝上主要是電解質的薄膜化制備工藝；電池的結構設計主要是由管式發展為平板式，再到瓦楞式；電解質材料主要經歷了ZrO2基、Bi2O3集、CeO2基、LaGaO3、BaCeO3類質子導體、氧化物-無機鹽、復合氧化物、磷灰石類的改進，陽極材料主要經歷了金屬陶瓷材料、鈣鈦礦氧化物陶瓷材料、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進，陰極材料主要經歷了鈣鈦礦類氧化物、類鈣鈦礦類氧化物、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進。

3 結 語

通過以上分析，可以得出如下結論：

(1)從專利申請趨勢來看，從1985年開始就有關于固體氧化物燃料電池技術領域的專利申請，反映了創新主體擁有較強的專利保護意識，我國固體氧化物燃料電池的專利申請量總體呈上升趨勢，說明了我國固體氧化物燃料電池技術還處在發展期。

(2)從法律狀態分布分析來看，固體氧化物燃料電池專利處于失效狀態的約有40%，其中以發明和實用新型專利未繳年費和發明專利申請公布后的視為撤回導致專利失效為主，約占34%，一定程度上反映了我國固體氧化物燃料電池的專利質量和專利管理水平有待提高。

(3)從創新主體上來看，國內本土創新主體以高校和科研單位為主，主要以中國科學院大連化學物理研究所、哈爾濱工業大學、華中科技大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所等，國外創新主體以企業為主，主要來自日本和美國，主要有東陶公司、通用電氣公司等。國外創新主體涉及專利運營的主要是企業，國內創新主體涉及專利運營的主要是高校，一定程度上反映了國外企業具有較強的技術創新能力，而國內企業的創新能力不強，創新主體以高校為主，技術大多還停留在實驗室階段，市場轉化率不高。

(4)從技術布局來看，固體氧化物燃料電池技術主要集中在電池零部件、電解質、電極、電池堆、電池系統等方面。

(5)從技術發展路線來看，固體氧化物燃料電池的發展主要依靠工藝、結構和材料的改進。工藝上主要是電解質的薄膜化制備工藝；電池的結構設計主要是由管式發展為平板式，再到瓦楞式；電解質材料主要經歷了ZrO2基、Bi2O3集、CeO2基、LaGaO3、BaCeO3類質子導體、氧化物-無機鹽、復合氧化物、磷灰石類的改進，陽極材料主要經歷了金屬陶瓷材料、鈣鈦礦氧化物陶瓷材料、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進，陰極材料主要經歷了鈣鈦礦類氧化物、類鈣鈦礦類氧化物、有半導體特性的質子/氧離子導體的改進。