3983金沙官网-金沙城3983娱乐网站

中文ENGLISH
供求信息
热搜关键词: 氧气
会员登录
账号:
密码:

氢能源
当前您所在的位置:3983金沙官网 > 氢能源

氢燃料电池专利中国申请状况分析

来源:《中国发明与专利》 更新:2019-09-04 21:37:16 编辑: 浏览:402次

随着经济和社会的不断发展,三大化石燃料的使用不断增加,由于化石燃料的储量有限以及化石燃料的使用带来的环境污染、温室效应等问题不断凸显,因此使得绿色能源氢能源的研究开发和利用引起全世界范围内的关注。

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);除氢燃料电池以外,燃料电池通常还包括磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)、碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC)及熔融碳酸盐燃料电池 (Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)。按照工作温度的不同,一般将AFC、PEMFC归为低温燃料电池,PAFC为中温燃料电池,而MCFC和SOFC则属于高温燃料电池。

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019 版)》指出,氢燃料电池由于工作温度低、启动快、比功率高等优点,非常适合应用于交通和固定式电源领域,逐步成为现阶段国内外主流应用技术。并指出氢燃料电池系统的核心零部件包括膜电极、空压机、储氢系统、双极板、氢循环装置,关键原材料包括催化剂、质子交换膜、炭纸/炭布、密封剂,本文就氢燃料电池的专利在中国的申请以及上述氢燃料电池系统的核心零部件和关键原材料进行分析,以期公众全面了解该技术领域的中国专利申请现状,为相关企业和机构的决策提供依据和参考。

1.专利申请数据分析

本文用于分析的数据来自于Patentics数据库,结合本领域常用的关键词,综合利用Patentics的A字段(检索范围局限于标题、摘要和权利要求)和B字段(检索范围为全文范围)进行检索。由于专利法规定发明专利申请是自申请日起18个月公布,因此2018年1月份以后的申请中会有部分申请因未满18个月而还未公布,2019年申请的数据大部分还未公布,故检索的专利申请的申请日限定在2018年12月31日,以便于按年份专利申请进行统计和比较。

1.1 年代分布

图1显示了氢燃料电池在1985—2018年间的中国专利申请量情况。大致可以分为以下四个阶段。

第一个阶段是在1995年之前,在这一阶段,氢燃料电池的技术处于缓慢发展期,年均申请量均在10件以下,氢燃料电池的成本还处在一个非常高的阶段,距离商业化阶段非常远,但氢燃料电池相对于其他电池所具备的高功率、大容量的优势已经使其应用于航天领域。

第二阶段是从1996年到2005年,氢燃料电池的申请迅速增加,在这十年的时间内,燃料电池的申请以几乎年均翻番的态势快速发展,申请量迅速增加至1000件/年,究其原因,一方面是因为石油危机的出现,能源价格迅速增加,迫使人们将注意力逐渐集中在寻找替代能源的方向上。另一方面是由于燃料电池技术的不断成熟,特别是质子交换膜和催化剂性能的不断提高,降低了燃料电池的成本,在这一阶段,部分国际汽车厂家如丰田汽车、通用汽车已经开始了燃料电池汽车的示范化运营。

第三个阶段是从 2006 年到2014 年,这个阶段燃料电池的申请先是出现了小幅的回落然后又恢复到之前的水平上。原因一是全球金融危机的影响导致油价回落和研发资金的缩水;另一方面,由于锂离子动力电池安全性的解决,出现了从发展汽油+锂电的混合动力、纯锂电动力汽车,然后过渡到锂电+燃料电池的新能源汽车发展路线,挤占了燃料电池的部分研发资源;尽管如此,日本丰田汽车还是推出了初步商业化的燃料电池汽车。目前是处于第四个阶段,随着锂电池动作为电动汽车能源自身的局限以及人们对于绿色环保新能源的不断重视,氢燃料电池的研发在此进入了快速发展的第二阶段,申请量快速增长,氢燃料电池的研究已进入了最后的商业化应用研究的冲刺阶段。

图1 氢燃料电池中国专利申请的年代分布(单位:件)

1.2 国别分布

图2显示中国专利申请中申请人所属的国别分布以及相应的专利类型,从图中可以看出,目前大家国家的氢燃料电池的申请量最多,并且还有一定数量的实用新型专利申请。日本、美国、韩国的专利申请分别位居第二至第四位;从发明专利申请的绝对数量上看,大家国家的申请量是美国的4倍、日本的2.5倍、韩国的8倍。

图2 氢燃料电池技术领域中国专利申请的国别分布(单位:件)(CN-中国;JP-日本;US-美国;KR-韩国;DE-德国;FR-法国;GB- 英国 )

进一步结合图3中国授权发明专利的国别分布可以看出,大家国家的授权发明专利占比达到了该领域总授权发明专利的44%,这说明在氢燃料电池这个技术领域,大家国家在整体上具有较强的研发实力和技术积累,在未来这个产业上具有一定的争夺话语权的基础。

图 3 氢燃料电池的中国授权发明专利的国别分布(单位:件)

1.3 主要申请人分布

图4为在氢燃料电池领域中国专利申请的主要申请人情况,从图中可以看出,10位主要申请人中有 5位均为美、日、韩知名的国际汽车厂商,且申请基本上全是发明专利申请,说明上述企业的专利申请整体质量比较好,技术水平比较高,同时,燃料电池作为未来汽车的动力能源已经被国际汽车厂商普遍看好;与此对应,我国的几大传统汽车厂商和新能源汽车厂商集体缺席,说明我国的汽车工业企业在燃料电池汽车领域的技术研发和积累还不够,与国际知名汽车厂商在专利申请数量和质量上均存在较大的差距,而我国是汽车和石油消耗大国,应大力研发氢燃料电池技术以便于在未来顺利普及氢燃料电池汽车,这一点尤其应当引起国内汽车行业的重视。

图4 氢燃料电池技术领域中国专利申请主要申请人分布(单位:件)(1- 丰田汽车企业;2- 中国科学院;3- 通用汽车企业;4- 松下株式会社;5- 上海神力科技有限企业;6- 新源动力股份有限企业;7- SAMSUNG SDI 株式会社;8- 现代汽车株式会社;9- 日产汽车株式会社;10- 本田汽车企业 )

当然,前 10 位主要申请人中大家国家占据了 3 位,其中中国科学院位居第 2 名,并且申请大部分均是发明专利申请,这说明中国科学院在氢燃料电池技术上具有较强的研发能力。剩下 2 位为上海神力科技有限企业和新源动力股份有限企业。这说明我国过去的国家科研计划和产业扶持政策取得了比较好的效果。

结合图 2-4 可以得出如下结论,我国在氢燃料电池专利申请的数量上占据优势,但前 10 位的申请人中国外申请人占据了大部分,即便是进入前 10 名的中国科学院,其专利申请量占本领域的发明专利申请量的八分之一,而美日韩的主要申请人均占据本国申请量的三分之一以上,甚至达到二分之一的水平;说明我国在这一技术领域的申请人众多,科研和技术力量相对分散,我国在今后的发展中应一方面加大对这一技术领域的研发、产业扶持力度;另一方面引导国内的相关厂家、科研院所加强这一领域的技术开发和研究合作,促进科研成果的产业化转变。

2.专利申请的技术分析

2.1核心零部件专利申请分布

图5是氢燃料电池专利申请中各核心零部件所占的氢燃料电池系统的比例,从图中可以看出,膜电极、储氢系统、双极板是专利申请的重点,其他部分虽然占了39%,但燃料电池包含了其他众多零部件,笔者认为这一部分的数据比例是符合实际情况的。膜电极是燃料电池进行电化学反应的反应场所,其性能直接决定燃料电池性能的好坏,双极板在一定程度上代表了燃料电池的结构,对电池的性能存在直接影响。氢燃料电池通常采用储氢系统储存盒供给氢气,储氢系统通常采用高压储氢的方式,除膜电极外,储氢系统的成本占据燃料电池成本的较大部分。

图5 氢燃料电池核心零部件专利申请分布

2.2 关键原材料专利申请分布

图6是中国专利申请中氢燃料电池关键原材料的专利申请分布,结果显示,催化剂和质子交换膜的研究占据了研发的主体。现有的研究统计表明,氢燃料电池的成本与寿命是其商业化的主要瓶颈,燃料电池的成本占整车成本超过 50%,质子交换膜成本占电池堆成本的 25%,催化剂成本占电池堆成本的 25%,双极板成本占电池堆成本的 40%。笔者认为,未来燃料电池的研究和专利申请热点仍然将以催化剂和质子交换膜为主,相关研究机构和企业企业需要密切关注这两方面的技术开发和专利申请,尽早进行专利布局,以避免在关键技术上受制于人,影响未来的市场竞争力。

图 6 氢燃料电池关键原材料的专利申请分布

2.3 催化剂材料的技术及发展趋势分析

催化剂材料是氢燃料电池的关键材料,根据统计,催化剂材料的技术分支包括:铂系催化剂、钯系催化剂、以钴/镍为代表的非贵金属催化剂、稀土催化剂及其他;不同技术分支之间互有交叉。图7的统计结果看,铂系催化剂的专利申请占据了总催化剂申请的三分之一,铂系催化剂也是当前商业化氢燃料电池汽车中的主流催化剂,具有较好的催化性能。钯系催化剂和镍/钴催化剂也是研究的热点之一,钯和铂虽然同为贵金属,但钯的价格只有铂的三分之一,镍和钴的价格与铂相比,差距更大。采用上述两种催化剂对铂催化剂进行部分或全部替代显然有助于降低催化剂的整体价格,从而降低整体成本。

图8为催化剂材料各技术路线的专利申请分布,从整体上看,催化剂的申请量整体上处于上升态势,近两年稍有回落,但仍维持在120~140件/年的水平上;各技术路线的催化剂专利申请量在2015—2016年附近均达到了最大峰值;值得注意的是,自 2015 年以来,铂系催化剂的申请量不断降低,镍、钴系催化剂的申请量达到了与铂系催化剂的申请量相同的水平上,这说明镍、钴系催化剂已逐步替代铂系催化剂成为当前催化剂研究的重点,这一点应当引起相关科研机构的注意。

图 8 催化剂材料的专利申请分布(单位:件)

同时,还应当注意的是,铂+镍/钴催化剂和钯+镍/钴催化剂的申请量总和仅占据镍、钴系催化剂申请量的一半,这说明镍、钴系催化剂的研究已出现了摆脱使用铂、钯贵金属的趋势,尽管钴、镍的价格在一般金属中比较高,达到了数十万元每吨的程度,但与铂、钯的200~700 元/克的价格相比,材料成本仅为百分之一左右,这极大降低现有的催化剂成本,如果性能上能够达到铂、钯贵金属相当的程度,将对氢燃料电池的产业化进程产生重大推动作用,这一点将成为今后技术研究突破的重点。

3.丰田汽车企业的专利申请分析

丰田汽车企业是世界著名汽车制造商,也是目前氢燃料电池汽车商业化进程中最为成功的企业之一,本文对丰田汽车企业的相关专利申请进行如下分析,希翼对国内的相关企业和研究机构提供一定的参考。

3.1 IPC 技术领域分析

从技术领域上看,H01M008是燃料电池的主要领域分类号,涉及燃料电池的一般制造方法、零部件、辅助装置和控制方法;B60L011涉及电动汽车的发电机;H01M004涉及氢燃料电池中的膜电极、催化剂、质子交换膜等电极及其制造方法。这三个技术领域是丰田汽车企业在氢燃料电池申请中的主要三个技术领域,我国的相关企业在进行产业化的过程中可借鉴上述相关申请分布进行技术开发。

图 9 丰田汽车企业的氢燃料电池汽车主要 IPC 统计(单位:件)

B60K001和 B60K008是关于电动装置的布置或和安装,这两个分类号主要涉及燃料电池在车辆上的具体布置位置和固定方式。B01J023是关于催化剂材料的选择和制备方法,H01M016涉及不同电化学发生器的结构组合,这一部分主要涉及燃料电池和二次电池的组合使用,即混合动力。H01B涉及导电材料的选择,这一部分涉及燃料电池的导电部件的材料选择。B60K015 涉及与内燃机的结合,H01M010涉及电池零部件、一般结构及制造。上述技术领域属于丰田汽车企业氢燃料申请的第二梯队的专利申请领域,从上述分类号的分析可以看出,涉及氢燃料电池与二次电池或内燃机作为汽车动力,氢燃料电池催化剂材料的研究,燃料电池内部导电材料的选择,氢燃料电池在车辆上的布置位置和固定方式,这些大都与氢燃料电池的具体使用方式相关。

3.2 专利同族情况

专利申请的同族情况能够表明该企业对相关专利申请的技术重视程度和对相关国家和地区的市场重视程度,以丰田汽车企业在中国申请的 1067 件氢燃料电池专利申请为例,统计其在美国、韩国、欧洲、世界常识产权组织的同族专利情况可知,丰田汽车企业对中国和美国的未来氢燃料电池汽车市场最为看重,中国和美国是其专利布局的重点区域,这一点显然与中、美作为世界汽车的两个主要消费市场相关。

同时,丰田在中国和美国的申请量均高于在世界常识产权组织的申请量,在韩国和欧洲的申请量均低于在世界常识产权组织的申请量,由于在世界常识产权组织的申请可以在申请日起36个月内进入选定的国家和地区。因此,这也说明,丰田企业的重要技术优先通过快速申请的方式直接在中国和美国进行专利布局,这从另一个方面也体现了丰田汽车企业对于中国、美国专利的重视。

图10 丰田汽车企业氢燃料电池中国申请同族情况(单位:件)

3.3 重点专利分析

重点专利的分析指标有多种,常见的内部衡量指标包括权利要求数量、引用在先文献数量、被引用次数、专利家族情况、异议和无效程序等。外部衡量指标包括竞争对手相关性、行业标准相关性、权利人变更、许可行为相关性等。出于篇幅的考虑,本文采用权利要求数量、专利被引用的数量、复审和无效程序对丰田汽车企业的专利进行分析,以期获得相应的重点专利数据。

图 11 丰田汽车企业专利被引用频次分布图(单位:件)

专利的被引用数据体现了该专利申请技术方案的先进程度,在一定意义上,如果一项专利申请被该技术领域的申请人引用的次数越多,说明该专利申请的技术方案对后续的技术发展影响越大。对丰田汽车企业的 1067 件中国专利申请进行被引用频次统计,结果显示,有517件专利申请被后续专利申请所引用,具体如图11所示,横轴表示被引用的专利申请件数,有101 件专利申请被后续专利申请引用1次,有160 件专利申请被后续专利申请引用了2次。被引用次数最多的分别是42次、22次、20次,对应的专利申请数量分别是1件、1件、2件。出于篇幅的考虑,本文仅将被引用次数达到10次以上的专利申请的相关信息列举见下表1。

表1 丰田汽车企业被引用 10 次及以上的专利申请

从上述表1中的数据可以看出,上述专利申请的申请日均是在2010年之前,这说明丰田汽车企业的氢燃料电池的技术主要是在2010年之前已经成熟和完善,对于其中处于有效状态的专利申请,相关科研机构和厂家在进行研发时应注意其后续技术的发展,做好相关替代性或完善性研究,避免落入其保护范围内;对于处于无效和驳回状态的专利申请,可加以利用,结合自身情况进行开发,以提升相关的技术水平。

权利要求是专利保护范围的设定,通常申请人要对超过规定数量的权利要求支付额外的费用,权利要求的数量在一定程度上反映该专利申请所要求保护的技术方案的广度,并且在某种程度上也表征了申请人构建的技术方案保护梯度和保护层级。本文对丰田汽车企业授权的中国专利申请的权利要求项数进行统计,具体结果见图12。

图12 丰田汽车企业授权的中国专利申请权利要求个项数分布(单位:件)

从图12中可以看出,丰田汽车企业目前处于授权有效状态的专利申请总数为595件,该数字不包括处于在审状态和无效、驳回、复审中的发明专利申请。在上述已授权的专利申请中,有349件的专利申请的权利要求个数为1~9项,根据中国专利法和专利实施细则的规定,权利要求个数在20项以上的专利申请需要缴纳权利要求附加费,丰田汽车企业申请的权利要求个数在20项及以上的专利申请的个数为45件,上述专利申请相对于其他申请代表了丰田企业的研发和申请的重点方向,出于篇幅的原因,对权利要求个数在30项及以上的专利申请的相关信息列举见表2。

表2 丰田汽车企业具有 30 项及以上权利要求的授权专利申请

同样,通过表2可以看出丰田汽车企业在氢燃料电池领域的专利申请布局的重点,这对于国内相关汽车厂商在发展和布局氢燃料电池专利技术时具有一定的参考意义。同时,通过引入相应的计算因子可以将表1和表2所代表的不同角度评价的专利申请进行评分计算,也可以在此基础上进一步引入其他评价指标进行综合计算,从而得到丰田汽车企业的重点专利列表,笔者在此不再一一列举。

3.结论和建议

本文对现有氢燃料电池的中国专利申请进行分析,从整体上看,我国在该领域的专利申请数量上占据优势,但专利申请比较分散,主要申请人为国内科研机构和科技企业,这说明在国家以往的科研计划和相关政策的推动下,我国的研究取得了较好的技术积累,这对于今后大力发展氢燃料电池的相关产业是非常有利的。同时,也应当看到,国外知名汽车厂商申请量比较大,处于优势位置,国外企业的氢燃料电池的商业化开发和产业化应用做得还是相对领先的,我国家相关的汽车工业企业在这一领域的专利申请和布局还是有一定的欠缺,与国外的汽车厂家的差距还是比较大,国内的相关汽车厂家若想在未来燃料电池汽车上获取主导地位,就应当充分利用国内已有的研发力量,加强技术和人才的引进,不断逐步缩小与国外同行的差距,推动氢燃料电池的商业化进程,以充分应对未来燃料电池汽车普及带来的产业冲击。此外,本文还对氢燃料电池的核心零部件和关键原材料的专利申请进行了分析,具体分析了催化剂材料的技术发展路线和趋势,并预计镍、钴系催化剂的研究将是未来一段时间内氢燃料电池的热点。最后,本文还对目前在该领域专利申请量处于第一位的丰田汽车企业的专利申请进行分析,通过技术领域分布、同族专利情况、重点专利分析等角度展示丰田汽车企业在该领域的技术发展和重点专利布局,希翼对国内的相关厂家的研究和决策提供一定的参考意义。

© 京ICP备19059098号-1

金沙城3983娱乐网站     服务热线:010-8416 4557
copyright©中国3983金沙官网网  版权所有
慎重声明:未经授权禁止转载、编辑、复制如有违反,追究法律责任

QQ联系
XML 地图 | Sitemap 地图