| 1、前 言 2011年以来，我国政府相继发布了《“十三五”战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动技术（2016-2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》《中国制造2025》等顶层规划，鼓励并引导氢能及燃料电池技术研发。2019 年《政府工作报告》（修订版）补充了“推动充电、加氢等设施建设”等内容。同时，发改委在《国民经济和社会发展计划草案的报告》（修订版）中也相应增加了“加强城市停车场和新能源汽车充电、加氢等设施建设”内容。这意味着国家层面开始重视氢燃料电池汽车的基础设施建设。 成都市在2019年加大了对氢燃料电池产业的发展。其中，2019年7月31日，成都市经信局发布了《成都市氢能产业发展规划（2019～2023年）》，在规划中成都明确了将在未来发挥成都氢能研发、制造和资源富集等综合优势，突破产业发展瓶颈，培育产业集群，构建国内领先的氢能产业生态圈，打造中国氢能产业高端装备制造基地、核心技术创新高地、示范应用标杆城市。 根据规划，成都将在未来继续加大在氢能源方面的布局，继续依据「东进、南拓、西控、北改、中优」的发展战略，形成「五园一城一都」的氢能全产业链布局新格局。 不仅如此，在规划中还提出了对于新能源产业的发展愿景：力争在2023年之前实现氢能产业主营业务收入超过500亿元，建设全国知名的氢能产业高端装备制造基地。
1.1 不同国家间氢燃料电池行业发展概况 全球主要国家均对氢燃料电池的发展投入大量资源，以期在未来新时代的能源竞争中占据领先位置。从目前的情况看，日本、韩国和中国对燃料电池的整体投入最高，以丰田、现代为代表的燃料电池乘用车和固定式热电联供系统以及氢能大巴、物流车的生产均处于全球领先；美国近两年在制造方面增速不如东亚国家，但加州作为燃料电池乘用车的最大单一市场仍然是整个产业里举足轻重的市场；欧洲的燃料电池研发起步很早，近年来奔驰等传统车厂以及博世等一级供应商均已经开始进入燃料电池领域。 表1-1 不同国家间氢能源行业发展比较 1.2成都氢燃料电池产业发展现状 （1）四川地区具备了氢能源的天然优势。 制氢的主要途径有两个，可以通过水力资源电解水制氢，也可以通过天然气资源重整制氢。而四川省是中国水电第一大省，多条江河均流经四川，带来了丰沛的水电资源。而在这个过程中，产生了大量的废水，通过布局电解水制氢不仅实现废水的利用，更实现了氢能源的生成。 （2）四川的天然气储量丰富且管线布局完善。 天然气总存储量占到了全国总存储量的19%，形成了「三横三纵」的输气 （3）在产业链方面，氢能源作为目前国家清洁能源的重点研发对象，不论是国家层面还是四川省都给予了政策方面的倾斜与支持，众多和清洁能源相关的产业纷纷落地成都布局。 根据统计，目前成都和氢能源相关的上下游企业已经超过50家，2017年实现产值约300亿元。其中规上企业40余户，上市企业7户，覆盖氢气制备、储运、加注和检测，燃料电池及整车（机）研发制造等主要环节。重点企业有东方电气、省能投、四川金星、成都客车、中材科技、华气厚普等，产品涵盖氢燃料电池电堆研发生产及燃料电池汽车制造、制氢、储氢、运氢、加氢及用氢领域；多个和氢能源相关的研究项目也已经开始研发落地，为氢能源在四川的布局提供了基础。包括成客与郫都区巴士公交公司开展的燃料电池公交车示范项目、新筑股份的“燃料电池混合动力列车”研发项目、川大-攀钢-广东泰罗斯的钒钛基储氢合金-燃料电池电源系统产业化等项目。 （4）四川地区高校众多，仅仅在成都地区就有56所高校、125所中职院校，东方电气中央研究院、四川大学、电子科大、西南交大、清华四川能源互联网研究院等科研机构和大专院校在燃料电池领域已经积累了一定的技术优势。2018年10月，四川大学、电子科技大学与国蓉科技等企业开展的相关研究，与泰罗斯共同创建氢燃料电池发动机研究中心，专注氢燃料电池关键技术“电堆”的研发和生产，首期拟投资4000万元，进一步推进了从科研到实际成果的转化。 2、氢燃料电池产业链分析 2.1 氢燃料电池概述 燃料电池是一种将储存在燃料（包括氢气、重整气等）和氧化剂（主要为氧气）的化学能通过电化学反应转化为电能的装置，从技术原理上看，只要燃料和氧化剂的供应不断，就能够连续不断地产生电能从而为用电设施提供动力。 氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是采用氢气作为燃料的燃料电池，通常也称作质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），是一种真正的零排放电源，整个化学反应过程安静、无污染，电池效率比化石燃料燃烧高2～3倍，能量转换效率可达80～90%。 2.2氢燃料电池产业链 图2-1 氢燃料电池产 从产业链环节来看，氢燃料电池上游是氢气的制取、储运，在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注；中游是电堆等关键零部件的生产，将电堆和配件两大部分进行集成，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。其中在交通运输领域氢能源电池汽车是目前政策支持亟待开发、应用的领域。 2.3氢燃料电池产业链核心技术 燃料电池产业链中制氢、储运氢、燃料电池系统是主要技术内容，其中，电堆是氢燃料电池的核心技术内容。 2.3.1 制氢 图2-2 制氢流程 制氢流程如图所示。目前我国制氢方式主要有化石燃料制氢、工业副产氢和水电解制氢，国外氢气产能主要是天然气重整制氢和电解水制氢，由此可见国外制氢方式和我国制氢种类差别不大。国内制氢企业主要有国家能源集团、中国石化、中国石油等，国外具有代表性的公司有美国空气产品公司、德国鲁奇、法液空、林德气体等。 从氢燃料电池产业应用方面考虑，氢气的品质至关重要，氢气纯度越高，其燃料电池的效率越高。目前，各种制氢方式中电解水制氢产生的氢气纯度最高，可以达到99.99%。在电解水制氢方面，我国拥有世界上最大的风能和光伏装机，发电量稳居全球第一，但同时我国每年弃风、弃光较为严重，仅弃风电制氢就可以供100万辆车使用，弃光电制氢可供140万辆车使用。因此，我国未来利用可再生能源制氢的空间巨大。 2.3.2 氢气储运 图2-3我国与日韩、北美、欧洲在制氢、储运氢技术对比 氢气输送方式主要有气氢拖车、液氢槽罐车以及管道运输氢气。目前来看，在氢的运输方面有两种方式，一种是通过车、船等运输工具运输，另一种是管道运输。除了日韩由于地域较小，以氢气拖车、液氢罐车作为主要运氢手段外，其余主要市场均采用大规模管道运输。北美输氢轨道全长已超过2600公里，占全球输氢管道总长的57%，欧洲低压输氢管道 2.3.3氢燃料电池系统 氢燃料电池系统是由电堆、氢气供给循环系统、空气供给循环系统、水热管理系统、电控系统、智能监控系统相互协调构成，其中燃料电池电堆更是系统中最为关键的核心环节，直接决定了燃料电池汽车的质量。目前我国氢燃料电池系统集成技术比较成熟，但冷启动温度一般为-20℃，与丰田的-30℃还有差距。 图2.4 氢燃料电池系统构成图 2.4氢燃料电池系统核心技术与国际水平差距 与国际水平相比，我国膜电极、双极板、质子交换膜等已具有国际化的能力，但生产规模较小，电堆产业发展较好，但辅助系统关键零部件产业发展较为落后。 3、氢燃料电池相关专利分析 3.1 检索式的确定 一般在检索分析时，为了尽量达到“查全”和“查准”的目的，常采用国际分类号+关键词的方式，采用国际分类号检索是为了达到 “查全”的目的，将氢燃料电池技术所涉及技术领域的通过国际分类号将其检索出来，同时，为了去除噪音，通过关键词的方式来达到“查准”的目的，为此，在本报告中也采用该方式来检索。 3.1.1 国际分类号的确定 经过技术拆解和初次检索分析得到，氢燃料电池技术在专利中主要所涉及到的国际分类号有： B01D53 气体或蒸气的分离；从气体中回收挥发性溶剂的蒸气；废气例如发动起废气、烟气、烟雾、烟道气或气溶胶的化学或生物净化；冷凝阱； H01M8 燃料电池；及其制造； H01M4 电极； H01M10 二次电池；及其制造； C01B3 氢；含氢混合气；从含氢混合其中分离氢气；氢的净化； C25B1 无机化合物或非金属的电解生产； C25B9 电解槽或其组合件；电解槽构件；电解槽构件的组合件；例如电极-膜组合件； H01M6一次电池；及其制造； B01J23 不包含在B01J21/00组中的，包含金属或金属氧化物或氢氧化物的催化剂； H02M1 变换装置的零部件； F02M25 向燃烧空气、主要燃料或燃料-空气混合气中加入非燃料物质或少量二次燃料用的发动机有关装置； C25B11 电极；不包括在其他位置的电极制造。 3.1.2 检索式的确定 检索式为：(TIAB=(氢) AND TIAB=(燃料 OR 电池)) AND (IPC=(H01M8 OR H01M4 OR HO1M10 OR C01B3 OR C25B1 OR H02M1 OR C25B9 OR H01M6 OR B01D53 OR B02J7 OR B01J23 OR F02M25 OR C25B11))。 3.2 全球氢燃料电池专利申请概况 3.2.1 全球氢燃料电池专利总概况 检索日期截止2019年11月18日，经申请号合并后得到全球专利申请公开有73753件专利（申请号合并），其中，公开类型和专利有效性占比如图3-1和图3-2所示： 图3-1 全球专利申请公开类型占比 通过图3-1和图3-2可以得到，全球氢燃料电池相关专利主要以发明类型为主，实用新型类型占比仅3%，由此说明，全球氢燃料电池技术创新高度高，行业领域新颖，但是，全球有效专利仅占比15%，失效专利占比达到48%。 3.2.2 全球专利申请趋势分析 专利申请量和申请趋势可以侧面反映一个技术领域的创新活跃度，为此，对氢燃料电池全球专利申请的趋势进行分析很有必要，如图3-3和表3-1所示。 由图3-3可见，在氢燃料电池专利申请方面，中国从2000年开始奋起追赶，申请量一直处于增长，截至目前我国政策层面仍然支持发展氢燃料电池产业，我国氢燃料电池技术研发产量增多，申请人研发激情高。从上述申请趋势来看，国外氢燃料电池的申请高峰时间处于2002-2009年间，随后申请热度持续下滑，这表明在国外氢燃料电池要么发展较为成熟，要么受到产业应用上的影响。对于中国来说，中国申请趋势与国外的申请趋势截然不同，而是逐年上升，其根本原因值得深思。 3.2.3全球专利技术原创地分析 图3-4 各技术原创 通过按最先申请专利的方式进行检索得到，如图3-4所示，全球氢燃料电池技术原创地中，美国、日本、韩国、中国、德国、欧洲、加拿大等地区最先提出专利申请，其中，从专利申请量来看，日本专利申请量占比达到33.96%，美国专利申请量占比达到14.64%，中国专利申请量占比达到17.03%，韩国专利申请量占比达到7.45%，德国专利申请量占比量达到5.96%。 进一步，如图3-5所示，通过扩展同族合并后，得到全球氢燃料电池专利申请实际件数，其中，日本实际专利申请件数达到18662件，占比达到44.835，中国是9282件，占比达到22.3%，美国是4723件，占比达到11.34%，韩国是3584件，占比达到8.61%，由此可以得到，日本在氢燃料电池领域是申请专利最多的，同时也进行了大范围大量的全球布局。 图3-5技术原创地实际技术专利件数情况 如图3-6所示，从全球专利技术布局分布来看，日本主要集中于H01M8（燃料电池；机器制造）和H01M4（电极）分类中，中国、美国、德国、韩国都与日本专利布局相同，都主要分布于H01M8和H01M4分类。 图3-6 全球专利技术地域分布情况 3.3 中国氢燃料电池专利申请概况 3.3.1 中国专利申请概况 如图3-7所示，中国专利申请量共有11082件，其中，包括发明申请5883件（占比53%），发明授权3509件（占比32%），实用新型1690件（占比15%），有效专利占比33.23%，失效专利占比40.62%，审中专利占比26.15%，中国氢燃料电池专利申请占全球总申请量的17.03%。 3.3.2 中国氢燃料电池专利申请来源地及主要申请主体 如图3-8所示，中国氢燃料电池专利中，来自中国本土的创新主体的专利申请量达到8353件，占比达到76.37%，日本企业在我国的专利申请量达到1298件，占比达到11.87%，美国企业专利申请量达到627件，占比为5.72%，韩国企业专利申请量为300件，占比为2.74%。 图3-8 中国专利申请来源地占比情况 由表3-1可以得到，虽然中国本土的创新主体总的申请量最多，但是单个创新主体的申请量并不是最突出的，从单个创新主体的申请量来看，日本企业的单个创新主体的专利申请量最突出，超过200件的有两家企业，松下电器产业株式会社和丰田自动车株式会社在我国的专利布局最多。 表3-1 中国专利申请人来源国及申请主体 由图3-9所示，中国本土企业在H01M4和M01M8分类中专利布局最多，专利数量分别达到3771件和2912件，在H01M10和C01B3分类中专利数量也达到了1000件以上。日本企业的专利技术也集中在H01M4和M01M8分类中，美国和韩国企业的专利技术主要集中在M01M8分类中，与日本企业在专利技术分类上稍有不同。 3.3.3 中国各省市氢燃料电池专利申请情况 如图3-10所示，中国各省市氢燃料电池专利申请主要集中在广东、北京、上海、江苏等经济发达省市，其中广东专利申请数量达到1099件，四川专利申请数量仅为306件，不到广东专利申请数量的1/3。 由图3-11所示，各主要省市在氢燃料电池技术领域的专利申请趋势基本相同，均是逐年稳步增长，四川省在氢燃料电池技术领域的专利申请始于2001年，在2001-2011年10年间，四川省的专利申请量极少，每年只有几件的专利申请，在2011年后，开始快速发展，技术产出不断增多，在2018年达到顶峰，当年申请量达到121件，增长速率高于同年快速增长的江苏省。 3.3.4 中国氢燃料电池主要申请人分析 如图3-12所示，在中国氢燃料电池技术专利中，专利申请量排名靠前的创新主体主要是日本企业，进入前20名中的14个位我国创新主体，如中国科学院大连物化所和上海神力等中国创新主体在氢燃料电池技术中也占有一席之地。 3.4 全球氢燃料电池核心技术领域专利申请情况 在氢燃料电池技术中，电堆是其核心技术，而构成电堆的主要部件包括气体扩散层、双极板、膜电极组件、密封圈和端板，其中，膜电极组件包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层-碳纸/碳布，以下分别以这些部件进行专利检索分析。 3.4.1 气体扩散层 气体扩散层（GDL）起着分布反应气体、在电极和双极板之间传导电子和热量、与平衡电极表面水分的作用。气体扩散层不仅要求有透气/透水性好、导电/导热性好、机械强度高、耐腐蚀性好等物理化学性质，还要具有易于规模生产和价格便宜等商业方面的要求。 通过采用关键词“扩散层 OR 碳纤维”二次检索得到，全球关于气体扩散层技术的专利共有864件（申请号合并），其中，中国190件，日本301件，韩国76件，美国103件，排名前10的创新主体如图3-13所示。根据图中可以看到，有2家公司来自中国，即上海华蓬防爆科技公司（几乎均失效，可不考虑）和中国科学院大量化学物理研究所，其余均为日本、韩国等国外企业，说明气体扩散层技术基本被国外企业垄断，中国气体扩散层技术开发生产落后与国外。 3.4.2 双极板 双极板在燃料电池堆中的体积和重量占比最大，成本占比28%。主要功能有：连接单体模块、分隔反应气体、收集电流、散热和排水等，材料的选择将直接影响燃料电池的电性能和使用寿命。 通过采用关键词“极板”二次检索得到，全球关于双极板专利申请共有2390件，其中，中国573件，日本922件，韩国200件，美国166件，排名前10的创新主体如图3-14所示。 在全球关于双极板专利技术中，排名前10名的创新主体仅有一家中国本土企业，其排名在第6名，其余全部为日本、韩国等国外企业，说明双极板技术基本被国外企业垄断，中国双极板技术开发生产落后于国外。 3.4.3膜电极组件 膜电极组件（MEA）成本占燃料电池堆的56%，其中，催化剂、质子交换膜、扩散层分别占41%、9%、6%。 通过采用关键词“催化剂 OR 膜”二次检索和除噪（过滤H01M8/04" OR "H01M8/02" OR "H01M8/24" OR "C25B1/00" OR "C01B3/48）得到，全球关于膜电极专利申请共有15663件，其中，中国2509件，日本3728件，韩国1057件，美国2054件，排名前10的创新主体如图3-15所示。 由图所示，全球关于膜电极专利技术的创新主体中，只有中国科学院大连化学物理研究所1家来自中国本土的创新主体，其余来自日本、韩国等企业。 4、成都市氢燃料电池专利申请情况 4.1 成都市专利申请概况 成都市氢燃料电池专利共242件，占四川总专利数量的78.32%，其中，成都市专利申请的类型占比为：发明申请占比73.55%，发明授权占比16.95%，实用新型占比9.5%，失效专利占比22.72%，有效专利占比22.73%，审中专利54.55%，成都市近20年氢燃料电池技术专利申请趋势如图3-16、图3-17和图3-18所示。 成都市氢燃料电池技术专利申请始于1995年，在1995年至2014年间，专利申请量缓步增长，技术产出少，发展缓慢，在2014年后开始快速增长，在2018年达到顶峰。在专利技术分布中，成都市氢燃料电池专利技术主要集中于H01M领域，即主要集中于氢燃料电池系统领域，在该领域，成都市对燃料电池电堆、系统集成与控制等核心技术进行了研发，并有一定的专利产出。 进一步，成都市氢燃料电池技术排名前10名的申请人如图3-19所示，成都新柯力化工科技有限公司申请量最多，其次是四川大学和中国东方电气集团有限公司。 由上图可以得到，成都新柯力化工科技有限公司占比最多，专利申请量达到90件，占比达到37%以上，其次是四川大学、中国东方电气集团有限公司和电子科技大学。 4.2 清华四川能源互联网研究院 通过检索得到，清华四川能源互联网研究院在氢燃料电池方面共申请了5件，其中，主要涉及氢燃料电池与电站-能源站系统管理控制方向。 表4-1 清华四川能源互联网研究院在氢燃料电池技术方面专利情况 4.3 成都新柯力化工科技有限公司 4.3.1专利申请趋势 成都新柯力化工科技有限公司专利申请趋势如图3-20所示。 由图3-20可知，成都新柯力化工科技有限公司研发产出始于2017年，其全部为发明，2017年专利产出7件， 2018年，发明专利申请量达到82件。 4.3.2专利技术分布 如图3-21所示，成都新柯力化工科技有限公司的专利技术主要集中在H01M分类中，专利数量达到65件，特别是集中在H01M4分类中，对氢燃料电池的膜电极及其材料的研究比较集中。 4.3.3专利运营情况 在氢燃料电池技术领域，成都新柯力化工科技有限公司转让的专利技术主要集中于H01M和C01B，其中转让给深圳市智尊宝知识产权运营服务有限公司最多，达到8件。 4.4 四川大学 4.4.1 专利申请趋势 如图3-22所示，四川大学历年在氢燃料电池技术领域中的申请基本保持研发产出步调基本一致，每年研发产出量基本相同，且全部为发明专利类型，研发产出的技术含量较高。 4.4.2专利技术分布 由图3-23所示，四川大学在氢燃料电池专利技术主要分布在H01M分类中，主要注重燃料电池的储氢材料和电极材料技术，同时还涉及B82Y30（纳米复合材料）分类，研究方向偏向于材料基础研究。 4.4.3专利运营情况 在氢燃料电池技术领域，四川大学共有2件专利被转让，具体转让情况如表4-2所示。 表4-2 转让专利列表 4.5中国东方电气集团有限公司 4.5.1 专利申请趋势 如图3-24所示，中国东方电气集团有限公司氢燃料电池专利申请始于2012年，在2016年申请量达到顶峰，共提出了8件专利申请，并主要以发明专利申请为主，实用新型专利申请极少，说明中国东方电气集团有限公司的研发产出创新度高，根据其历年发明专利授权量来看，其发明专利授权量较多，说明其专利技术具有一定的技术价值。 4.5.2 专利技术分布 由图3-25得到，中国东方电气集团有限公司的专利技术主要集中于H01M8和H01M4类别，注重燃料电池系统集成化的工业应用，同时，还在B06L11和C01B3类别有专利分布，通过查询其商业活动得到，2017年10月25日，东方电气和成都客车联合研制的首台“蜀都牌”氢燃料电池样车下线；2018年6月，采用东方电气自主知识产权氢燃料电池发动机的首批10台氢燃料电池公交车已在成都市实现商业运行，使四川省成为继广东后全国第二个开展氢燃料电池公交商业运行的省份。 4.5.3专利运营情况 在氢燃料电池技术领域，东方电气公司共有5件专利被转让，其中主要是自己分公司的转让，并未对外部企业进行转让，也即是说，东方电气公司的专利技术主要用于自己工业应用，其并不对外进行技术输出。 5、结 论 （1）国外氢燃料电池申请主要集中在2002-2009年间，随后申请热度逐年下降，中国的氢燃料电池方面的申请趋势与国外截然不同，一直处于高速增长；氢燃料电池的电堆，包括气体扩散层、双极板、膜电极组件等核心技术专利申请中国并不占优，日本专利布局数量最多，核心技术专利覆盖最广，其次是美国和韩国，中国虽然专利申请体量大，但是专利技术分布分散，核心技术专利量相对较少，目前整体上落后于日本、美国和韩国。 （2）检索日期截止2019年11月18日，经申请号合并后得到全球关于氢燃料电池技术专利申请公开有73753件专利，其中发明专利类型占比达到92%，实用新型仅占3%，说明氢燃料电池技术领域的创新活跃度高，在专利技术分布上，全球关于氢燃料电池技术专利申请主要集中在H01M领域，说明各国的技术研发热点都集中在氢燃料电池制造方面。 （3）中国在关于氢燃料电池技术专利申请量达到11082件，其中，专利申请量占比为全球专利申请量的17%，其中发明专利类型占比85 %，日本企业在中国的专利布局较多，其专利申请占比达到18%。 （4）成都市关于氢燃料电池专利共有242件，占四川总专利数量的78%，专利技术主要集中于H01M类别，说明成都市内的创新主体主要对燃料电池电堆、系统集成与控制等核心技术进行了研发创新，并获得了一定的技术产出。 （5）成都市在氢燃料电池核心技术的专利布局方面做了一些工作，其主要对H01M类别进行了专利布局，而对技术类别的专利布局量少，存在“偏科”问题，因此，成都市关于氢燃料电池核心技术的专利布局可进行政策调整，以主要创新主体为主导，培育和建设成都市氢燃料电池产业基地，完善产业链布局，实现对氢燃料电池核心技术的突破和创新。 来源：四川九鼎天元集团专利分析评议项目组 作者：胡东东 费世英 |
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