氢云链2022-2-22 16:26
SOFC(工作温度 600~1000℃)是以复合氧化物为电解质,不需要其他贵金属催化剂,可以直接使用现有的各种含碳燃料,例 如 煤 气、合 成 气、天 然 气、液 化 石 油 气等。与其他燃料电池比较,SOFC发电 效 率 最 高 (综合发电效率约 80%)并可以和现有能源供应系统兼容,被认为是本世纪最有应用前景的绿色高效发电系统之一。欧 洲 和 北 美 已 有 多 个 供 给 碳 氢 燃 料 的 SOFC 示 范 项 目 。日本尼桑公司在 2016 年试运行了一款以乙醇 为燃料 的 SOFC 汽 车 。此外 SOFC 工作温度较高,相较于 PEMFC 可允许电极温升大,其 水、热管理也相对简单。1980 年代后期SOFC研究 得到蓬勃发展 ,以美国西屋电气公司为首的欧洲、日韩等企业开始了 SOFC 的商业化探索 。我国从 2007 年开始开展 SOFC 相关关键材料和基础科学研究,基本实现了诸多核心关键技术突破,目前拥有自 主知识产权,基本实 现了 SOFC关键 材 料、电 池 核 心 元 件、电堆模块集成和独立发电系统四部分技术全线 贯通,但由于起步晚,仍处于初步探索阶段。在“双碳”目标背景下,SOFC 技术将有 利助推我国能源结构绿色低碳转型和煤炭清洁利用 。在此背景下,本文采用《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》和《航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述》两篇文献内容,根据1991 年 1 月 1 日—2020 年 12 月 31 日已经公开的相关专利数据,重点从专利角度解读中国固体氧化物燃料电池(SOFC)发展阶段。结论为:中国目前对固体氧化物燃料电池的 研究开发业已取得了很大的进展,但离商业化还有 一定距离 。SOFC 的发展离不开政府的引导和大力 支持,大学、政府和企业的 “政产学研用”合作机制 也是 SOFC 发展的重要推动力。图1专利申请趋势图来源:《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》如图 1所示,可以看出: 2000 年以前,全球专利申请数量平均每年约 13 项,表明 SOFC产业发展缓慢 ; 2001—2019 年,申请量2019 年达到峰值 (726 项),约是 2001 年 8.7 倍。截至 2020 年底,SOFC 相关专利申请 8187 项,中 国 5 100 项排名第一。从图 2 可 见,中 国 从 1997 年 开 始 申 请 SOFC 专利,中国整体增长趋势和世界范围增趋势基本一致,申请数量 占 比 逐 渐 增 大,特别是 2012 年,我国布局了第一个 SOFC 方 向 的 973 项目,国对 SOFC 的关注度逐渐升高,专利申请数量逐年上升。图 2 中国专利申请趋势图来源:《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》如图 3所示,从1991起,直到2001年,第1项SOFC 专利才获得授权 。到 2004 年,共 授权 78 项,平均年授权量仅 5.5 项,授权率很低。2005—2014 年,专利授权呈现快速上升,2014 年达峰值。2020 年授权数大幅下 降的原因可能为 2016—2017 年专利申请数量降低有关 。图 3 授权专利趋势图来源:《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》有质量的专利是指具 有新颖性、创造性、实用性以及法律效力稳定的专利,其中 创造性对专利的 技术质量起直接决定作用 。分析 SOFC 相关专利的法律状态构成可见,相关授权专利共 5602 项(含授权后放弃、失效的专利),占总申请量 的 68.4%.失效专利 3317 项,占总申请量的37.6% ;有效专利 3 686 项,占总申请量的 45.0%,占总授权 量的 65.8%.未缴年费专利 1843 项,占总授权量的 33.0%,占失效专利的 55.6%。从数据上看,SOFC 专利授权率较高,反映出 目前 SOFC 专利质量相对较高,创新性较强 。专利 的实用性意味着其经济价值或市场前景,而主动放 弃和未缴年费的情况也多是由专利实用性低造成 的,反映出相关专利未能实现技术转移 。SOFC 专 利未缴年费比例相对较高,说明部分专利的实用性 不够。由表 1 可见,SOFC 相关专利以公司和高校院所为主,公 司 申 请 最 多占 申 请 总 数 的 58.2%。其次为高校院所占比 41.1%,但有效专利占比均不到一半 。 公司和高校院所作为主要的申请单位,在撤回驳回的无效专利中,占比分别 为 32.2%和 23.6%; 在未缴年费的无效专利中,占比分别为 38.0% 和 44.8%.表明虽专利申请量高但有 效率低,高校院所专利质量相对较高,撤回驳回率低 ; 未缴年费占比均较高,说明专利实用性欠缺,转 化效果较差。表 1 SOFC 相关专利申请人类型情况统计来源:《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》排名前 8 位中第 1 位的是中国科学 院大连化学物理研究所,其申请相关专利的主要技 术方向涉及催化剂电极、固体电解质、催化材料等, 申请量为 221 项,其 中 发 明 专 利 219 项 ; 授 权 专 利 134 项,占该单位总申请量的 60.6%,说明该单位在SOFC 研发方面的技术实力和自主创新能力较强。 排名第 2 位~第 5 位的分别为哈尔滨工业大学、三 星 SDI 株式会社、清华大学和华中科技大学,申请总 数为 621 项 。在这四个申请人中,三星株式会社的 技术方向范围最广,除电极制造方法低于哈尔滨工 业大学外,其余各方向专利数量均最多。图 4 SOFC 相关专利申请前8排名来源:《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》目前,世界范围内,SOFC 已进入商业示范应用 阶段 。 由风险投资基金支持的美国 Bloom Energy 公 司已在加州为 Google、eBay、Wal Mart 等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统 。截至 2020 年,该 公司已累计投放 350 MW 的 SOFC 产品,其中近半 数投放于加利福尼亚州 。 公司主要产品为 Bloom Energy Server,现已更新至第五代,完成了对 200 kW 的 SOFC 系统测试,据称发电效率可以达到 65%,处 于世界领先水平 。但在 MW 级 SOFC 的开发集成上还远远未能达到低于 900 美元/ kW 的目标 。日本的 SOFC 发展主要由 NEDO ( 日本新能源产业技术综合开发机构 New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan ) 推 动,目 标 为 到 2024 年,SOFC 发电效率 超 过 65% (低 热),寿 命 达 130000 h 等 。 主要项目为 SOFC 系统重点技术的开发和工业验证,主要研发机构包括爱信精机、大阪 燃气、京瓷和丰田汽车等企业 。2017 年,工业用的 SOFC 燃料电池已开始进入 商 用 化 阶 段 。 欧 洲的SOFC 技术同样已基本成熟,主要 SOFC Micro-CHP(热电联产 Combined Heat and Power) 的代表公司包 括瑞士的 Sulzer Hexis,英国 Ceres Power,意大利的 Solidpower,丹麦 Topsoe F ...