基于专利分析的国内燃料电池技术发展

基于专利分析的国内燃料电池技术发展

作者：刘萍王刚李璋

来源：《新材料产业》 2018年第5期

一、概述

燃料电池（f u e l c e l l）是一种能量转换装置，通过它可以将燃料中储存的化学能转换为电能输出。因其具有能量转换效率高、环境友好、噪声小、负载响应快速、易于建设及维护、利于回收等优势，引起了全球科学界、企业界，以及政府高度重视。尤其是国内，在政策

对新能源大力支持的情况下，资本纷纷进入燃料电池领域，其发展势头已经超过风能、光伏、

锂电池等其他新能源行业[1]。

燃料电池按电解质类型可以分为5类：碱性燃料电池（A F C）一般以氢氧化钾溶液为电解质；磷酸燃料电池（P A F C）以浓磷酸为电解质；熔融碳酸盐燃料电池（M C F C）以熔融的

锂－钾碳酸盐或锂－钠碳酸盐为电解质；固体氧化物燃料电池（S O F C）以氧离子导体固体氧化物为电解质；质子交换膜燃料电池（P E M F C）以全氟磺酸质子交换膜为电解质[2]。

由于各种燃料电池的应用领域不同，其系统组成也有所不同。以目前对传统行业最具影响

力的燃料电池汽车为例进行分析。燃料电池汽车的关键技术主要分为5个部分：燃料电池技术、电机技术、车身与底盘设计技术、控制器技术、测试技术。部件包括：燃料电池堆、增湿器、

气泵、高压氢罐（氢瓶）、燃料电池系统散热器等等。其中的燃料电池堆又由催化剂、电解质（质子交换膜）、导电层（碳纸或碳布）、双极板（石墨板、复合板、金属双极板）等组成。

此外，燃料电池汽车相关的整车架构及布置、电动机及其控制技术、水循环及热管理系统、电子电器、辅助装置等部件的发展也从某种角度制约着燃料电池行业的发展。目前我国燃料电

池专利发展已进入成熟期，我国专利申请量逐年上升。本文从专利数据角度聚焦国内燃料电池

行业，通过对我国燃料电池技术进行专利检索，具体分析我国燃料电池技术发展现状，并结合

分析结果，对我国燃料电池行业发展提出建议。

二、专利分析

为了把握和分析燃料电池技术当前在中国的发展及研究趋势，本文主要利用科技创新情报

平台（简称IncoPat），结合中国知识产权局专利检索平台[3-5]，检索时间为2018年2月10日，以主题词作为检索条件，检索其同族数据库，共检索到相关专利117 736项。专利检索表

达式为Topic=（燃料电池or fuel cell）。

1. 专利申请态势分析

我国燃料电池专利申请态势如图1所示，从专利申请数量来看，1998年以前每年专利申请

量较小。2000年以后，国内燃料电池技术越来越受到重视，专利数量开始逐步增长，发展态势

与国际基本保持同步。2006年申请量增长达到一个峰值，2008年受全球经济危机的影响出现小幅回落，2009年专利申请数量开始回升，2010年的增长势头明显高于国际总体水平，到2014

年申请量跃居世界第1，这可能得益于我国在新能源领域的高度重视和不断投入。但总体上数

量还偏少，与我国巨大的市场不相匹配。同时，也从技术创新角度说明我国在燃料电池技术创

新上投入不足。专利申请量经历2014年顶峰后，平稳发展与国际趋势保持一致，近几年专利申请量呈现逐年下滑的趋势，这可能是以下2方面原因所致：一方面是2014年专利申请量达到顶峰，研究达到一定程度的饱和，说明燃料电池技术已日臻完善，正在向商业化道路进军；另一

方面可能与专利的早期申请、延迟公开制度有关。

从总的发展态势来看，2000年以前燃料电池技术申请量在我国缓慢增长，2000年以后专利申请量呈现出突变式的增长态势，进入一个快速发展阶段。

2. 技术领域分析

国际专利分类（I n t e r n a t i o n a lPatent Classification,IPC）是国际通用的

标准化专利分类体系。通过对检索到的燃料电池专利I P C进行统计分析，可以获取该领域涉

及的关键技术主题和研发重点。I P C分类号及其对应的技术主题如表1所示。通过检索数据

分析，可见我国燃料电池专利的技术分布主要集中在燃料电池及其制造（H01M8）大组下的若干小组，其中燃料电池关键件和燃料电池系统达到总数的80%，如图2所示。分析可知，处于前3位的申请领域分别为燃料电池及其制造、辅助装置或方法和固体电解质的燃料电池（PEMFC）。辅助装置或方法的申请量较大，原因是它们对于燃料电池系统的正常运行具有重要的影响，成

为燃料电池领域研发的热点；固体电解质的燃料电池申请量较大，是燃料电池领域的研究焦点。

由于国内燃料电池的发展较晚，许多关键部件又受制于国外，甚至还存在着对中国禁售的

现象。因此，国内多数单位的研究集中于燃料电池关键部件上。这也使得国内单位在质子交换膜、催化剂、M E A等产品逐渐具有了国际竞争力。但最为燃料电池汽车等产品完整产业链上

的关键技术而言，例如空气压缩泵、增湿器等，国内还有待加强[6]。

3. 专利类型分析

我国专利中发明专利占59.34%，其中国内机构申请的比例只占到48.9%；在发明专利国内

机构的申请量仅占到国内专利总数的3成左右，见图3。

4. 专利申请人分析

我国人口众多，经济迅猛发展，已经成为世界第2大经济体，具有世界最大的潜在市场。

任何一个国外申请人都无法忽视中国市场，对中国已经进行大量的专利布局就是一个很好的证明。从专利申请人国别角度分析，不仅可以了解不同国家的申请人在我国申请保护的专利数量，而且还可以了解各国创新主体在中国的市场战略布局、保护策略及技术趋势。

我国燃料电池技术专利申请人国别分析见图4，国外机构来国内申请专利已经占到总申请

量的半数以上，这些国外申请人主要来自日本、美国、韩国、德国等。其中日本和美国在国内

的专利申请所占比例已经达到近32%，日本的比例更高，达全部申请的2成。我国申请人所占

比例虽然达到48.23%，但如果结合全球专利地域排名分析，可以看出来自国内的申请人的专利

比例在全球总的比例中非常低，这一点值得引高度关注[7，8]。

专利申请人一般分为企业、大学、科研机构和个人4种类型。分析专利申请人类型构成可

以明确该领域创新主体的类型，并通过创新实体的主体性质、研发实力和研发目的分析创新成

果更偏向基础研究还是商业应用，可以定位技术在产业链中的位置和可能的运营模式，从而找

出在产业内影响力大的不同类型的创新主体（申请人）。一般而言，企业更注重产品技术的产

业化和商业化应用，大专院校和科研单位更侧重于技术本身的深入研究。

近些年以来，随着燃料电池技术发展，专利申请人研发能力不断增强。从主要专利申请人

来看，国内主要的机构多为科研机构、大学和能源科技公司，且在燃料电池领域已经具有一定

的实力。其中，科研机构与大学占比达到55.61%，可见科研机构和大学时我国燃料电池知识产

权方面的主力，详见图5和图6。分析这一现象的原因，可能是由于我国燃料电池企业起步较晚，国内企业的参与程度有待提高；也有可能是企业技术研发还没有达到一定的水平。由图7、图8可见，在我国主要的燃料电池技术研究和应用单位中清华大学、上海神力科技有限公司、