燃料電池儲氫技術專利分析

李 昕，彭元亭，曾 輝，譚 波，陳思安

應用研究

燃料電池儲氫技術專利分析

李 昕，彭元亭，曾 輝，譚 波，陳思安

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

儲氫技術是氫能燃料電池發展的核心問題，本文對燃料電池儲氫技術在中國的專利申請進行統計，對申請時間分布、技術方向分類、主要申請人構成、法律狀態等方向進行分析，為該領域研究人員及企業提供研究態勢和發展思路參考。

燃料電池 儲氫 專利分析

0 引言

新能源是當今科技發展的重點，氫能是一種重要的二次能源，人們對氫能的開發利用寄予極大的期望[1～2]。氫資源來源豐富，通過燃料電池可以把化學能直接轉化為電能，同時與傳統的燃油發電機相比，有高效率、低污染、運行噪聲小等優點[3～4]。氫能與燃料電池組配，特別適合用于制成輕量化、便攜式的清潔能源產品，可替代傳統電池及發電機，廣泛應用于船舶、汽車、航空航天、野外作業等領域。而儲氫技術是當前制約氫能燃料電池發展的核心問題。

儲氫技術的研究主要有物理儲氫和化學儲氫兩個方向。物理儲氫主要有高壓氣態儲氫，液態儲氫，碳質吸附儲氫等。化學儲氫法主要有金屬氫化物儲氫、有機液氫化物儲氫、無機物儲氫等[5]。儲氫技術的主要衡量標準是儲氫密度、充放氫速率、充放氫的可逆性、循環壽命以及使用安全性等。本文對國內燃料電池儲氫技術的專利申請進行統計，分析該領域的技術發展現狀與未來發展趨勢。

本文數據來源于PATSPAP專利數據庫，根據專利法的相關規定，發明專利申請公布相比申請日有18個月滯后期，經發明人要求提前公開也需要6～8個月[6]，因此2021年申請數據還未公布，為便于統計分析，將數據統計截止時間定于2020年12月。

1　技術發展趨勢分析

圖1是1988～2020年期間我國氫燃料電池儲氫技術領域的專利申請量變化趨勢。在1988～1999年期間，儲氫技術專利申請數量屈指可數，這期間國內科研基礎薄弱，研究者們對燃料電池儲氫技術的關注度不高。進入二十一世紀后，隨著能源問題的日益突出，國家的戰略重點逐漸轉向可再生能源方向，氫能技術被列入《“十五”科技發展規劃》，受政策影響，2000～2010年間，國內儲氫技術處于平穩增長期，中國政府對儲氫技術的支持力度加大，促進了該技術領域的專利產出。2011年至今，儲氫技術進入高速發展期，政府相繼發布了《“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）》《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012～2020年）》等頂層規劃[7]，促進了我國企業在儲氫技術領域投入大量的人力和物力進行研發工作，儲氫技術在國內得到飛速的發展。

可以看出，儲氫技術在國內的申請量變化趨勢與國外趨勢大體相同，最大的區別在于中國的氫能技術自2000年才開始進入發展期，落后其他世界大國接近20年，因此國內的基礎設施較為薄弱，技術積累相對落后。在國家相關政策的支持與引導下，近十年里國內儲氫技術發展迅速，與國際領先技術的差距不斷縮小，甚至在某些關鍵技術領域已經可以達到國際先進水平，但不可否認的是，我國在該領域整體技術水平還處于落后狀態，國內研究機構及相關企業的關注和科研力度還需進一步加強。

圖1 中國專利申請量的時間分布

2　技術方向分析

圖2是我國儲氫技術領域專利申請量的技術方向分析，按IPC分類號對申請的專利進行分類。從圖2可以看出，該領域主要技術方向包括：燃料電池（H01M8）、氣體或液體的貯存或分配（F17）、氫/含氫混合氣/從含氫混合氣中分離氫/氫的凈化（C01B3）、一般車輛（B60）、發電/變電或配電（H02）、電極（H01M4）、電解或電泳工藝/其所用設備（C25）、一般的物理或化學的方法或裝置（B01）、超微技術（B82）、碳及其化合物（C01B31）、冶金/黑色或有色金屬合金/合金或有色金屬的處理（C22）、堿金屬、堿土金屬、鎂或鈹的氫硼化物的制備（C01B6）等。對申請專利的技術方向進行分類統計，與主要儲氫方式相關技術進行對比關聯，統計出目前主要儲氫技術路線的專利申請情況，如圖3所示。

依據專利分類排序統計可知，國內儲氫技術研發的重點依次為有機液體儲氫、固態儲氫、低溫液態儲氫、碳質吸附儲氫、高壓氣態儲氫。高壓氣態儲氫技術相對成熟度較高，已經得到廣泛使用，現階段國內加氫站主要采用高壓氫瓶，但是較低的體積容量比限制了電動車續航力的提升，從專利申請量可以看出該技術的關注度不如其他儲氫方向。低溫液態儲氫具有較高的儲氫密度，適用于航天航空領域，但是高成本、高能耗的使用條件應用于民用產業的難度較大。固態儲氫在儲氫密度上優勢明顯，但還需要解決充放氫溫度高以及循環性能差的問題，專利申請主要集中在儲氫材料以及應用方面，復合氫化物是近年的一個研究熱點。碳質吸附儲氫技術，是最近幾年以來參考吸附原理發展壯大起來的一類物理性儲氫模式，碳的比實際表面積與微孔實際有效體積是判斷氫氣吸附作用功能最為重要的2個影響因素，但是其不足之處是儲氫速率比較緩慢。有機液體儲氫具有儲氫量高、安全性高、性能穩定等優點，但也需要改善反應溫度、脫氫效率、催化劑毒化等方面的問題，是當前研究的重點方向。

圖2 中國專利申請量的技術方向

圖3 主要儲氫技術方向分析

3　申請人分析

圖4為在燃料電池儲氫技術領域中國專利申請的主要申請人情況，從圖中可以看出15位主申請人中有半數以上均為國內高校或科研院所，此外一些知名車企以及國內新能源科技公司也有很大的貢獻。高校及科研院所是科技創新的主力軍，而國內高新技術企業也在儲氫技術領域投入了大量的人力物力，并且獲得了一定數量的專利積累，說明國內企業在儲氫技術方面有相當程度的技術積累，為產業化的推進奠定了基礎。

圖4 主要申請人排名

4 法律狀態分析

從圖5可以看出，統計的8165件在華專利中，有效專利3610件，占比44.2 %，在審專利1760件，占比21.6 %，失效專利2704件，占比33.1 %。審查中的專利約為總數量的1/5，說明最近兩年有大量的申請人提交了專利審核。失效專利大部分是由于申請人在專利獲得授權后未能按時繳納年費導致，此外的主要失效原因是申請人未能及時回復審查機構針對在審專利發出的審查意見，視為撤回申請。儲氫技術領域的專利法律狀態說明該領域的專利管理存在問題，國內應著力于提高創新水平以及專利質量，對公布的專利加強后期管理。

圖5 專利法律狀態構成圖

5 結語

我國儲氫技術領域專利的發展起步較晚，但是在相關政策支持和引導下，具有非常積極的發展態勢，但申請量突飛猛進的同時也需要提高創新水平以及專利質量，加強對該領域專利的有效管理。有機液態儲氫是目前最受關注的儲氫技術，具有廣闊的應用途徑與商業前景。從主要申請人分布構成可以看出國內產業布局的結構已初步形成，以高校及科研院所作為專項技術突破，國內高新技術企業加緊實現產業轉化，企業和產學研緊密結合，加快國內自主化產業生態的打造。

[1] Gayathri V, Devi N R, Geetha R. Hydrogen storage in coiled carbon nanotubes [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 35(3): 1311-1320.

[2] Gerasimos E. Ioannatos, Xenophon E. Verykios. H 2 storage on single- and multi-walled carbon nanotubes[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 35(2): 622-628.

[3] 徐鐘平, 周敏莉, 虞利強, 潘相敏. 燃料電池汽車及氫能源的發展現狀與安全對策[J]. 消防科學與技術, 2010, 29(11): 1019-1021.

[4] 陳長聘, 王新華, 陳立新. 燃料電池車車載儲氫系統的技術發展與應用現狀[J]. 太陽能學報, 2005(3): 141-148.

[5] Hang H T, VARMAA. Hydrogen storage for fuel cell vehicles[J]. Current Opinion in Chemical Engineering, 2014, 8(5): 42-48．

[6] 中華人民共和國專利法[M]. 北京: 知識產權出版社, 2010.

[7] 中國氫能聯盟. 中國氫能源及燃料電池產業白皮書 [EB/OL].[2019-0701].

Patent Analysis of Fuel Cell Hydrogen Storage Technology

Li Xin, Peng Yuanting, Zeng Hui, Tan Bo, Chen Si’an

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2021）09-0027-03

2021-06-07

李昕（1989-），男，碩士，研究方向：燃料電池儲氫技術。E-mail：276060983@qq.com