胡燦英

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

1 研究背景

氫氣能量密度高，其燃燒熱值約為125 MJ/kg，是酒精、焦炭與汽油的數(shù)倍[1]。氫氣也可大量?jī)?chǔ)存，成為一種儲(chǔ)備資源。氫能具有不污染環(huán)境、可存儲(chǔ)、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，使得氫能成為未來(lái)的理想能源。氫能的開(kāi)發(fā)與利用是一個(gè)整體的系統(tǒng)工程，主要包括四大關(guān)鍵技術(shù)：生產(chǎn)、應(yīng)用、儲(chǔ)存及運(yùn)輸。氫能利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于制氫與儲(chǔ)氫，制氫技術(shù)目前已經(jīng)相對(duì)成熟，如電解水制氫技術(shù)、高溫?zé)峤庵茪洹⒃透碑a(chǎn)品制氫等，隨著世界各國(guó)對(duì)開(kāi)發(fā)利用氫能源的重視，儲(chǔ)氫技術(shù)必將成為氫能利用產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。

儲(chǔ)氫技術(shù)要求大容量、低成本、安全系數(shù)高以及取用方便，目前主要有低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫等[2]，其中固態(tài)儲(chǔ)氫是一種新型高效的間接儲(chǔ)氫方式，近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。

2 儲(chǔ)氫專利技術(shù)分析

Incopat 中選擇申請(qǐng)、授權(quán)與實(shí)用新型3 種類型專利數(shù)據(jù)，去掉外觀、其他兩種數(shù)據(jù)類型。檢索結(jié)果集代表在中國(guó)相關(guān)專利布局情況，即專利公開(kāi)國(guó)在中國(guó)的情況。檢索式為：((TI ＝(儲(chǔ)氫OR hydrogen storage OR hydrogen storing)) OR (TIAB＝(儲(chǔ)氫OR hydrogen storage) AND PNC＝(''CN''))。截至2022 年5 月31 日，根據(jù)上述檢索式檢出相關(guān)專利8 705 件，利用Incopat 專利數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)專利的申請(qǐng)文本申請(qǐng)?zhí)栠M(jìn)行了合并，得到6 717 件專利數(shù)據(jù)。根據(jù)申請(qǐng)?bào)w量的增長(zhǎng)速率與行業(yè)政策變化，選擇2003—2021 年數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)集。

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（申請(qǐng)趨勢(shì)）分析

國(guó)內(nèi)較早的儲(chǔ)氫相關(guān)專利為1987 年夏普公司申請(qǐng)的固體電解質(zhì)電池組專利，此后專利數(shù)量逐年遞增。但在2000 年以前我國(guó)儲(chǔ)氫專利申請(qǐng)數(shù)量相對(duì)較少，本文選擇2003 年以后數(shù)據(jù)分析申請(qǐng)趨勢(shì)，見(jiàn)圖1。2004 年儲(chǔ)氫相關(guān)專利首次突破100 件，同年，國(guó)內(nèi)大量企業(yè)在2004 年以后申請(qǐng)了大量專利，此時(shí)年申請(qǐng)量的激增與政策激勵(lì)關(guān)系較大。2004 年也是我國(guó)專門(mén)成立了國(guó)家保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作組的第一年[3]，2004—2014 年間，我國(guó)儲(chǔ)氫專利出現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)局面。

圖1 2003—2021 年專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

2015 年后，受國(guó)家相繼出臺(tái)的政策影響，相關(guān)專利申請(qǐng)人與申請(qǐng)數(shù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)?！豆?jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》 《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》 《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030 年）》等對(duì)清潔能源利用起到重大助推作用，2020 年，“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出將進(jìn)一步推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)氫作為重要中間環(huán)節(jié)，相關(guān)技術(shù)也呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 專利來(lái)源國(guó)分布

自20 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外申請(qǐng)儲(chǔ)氫專利占所有申請(qǐng)人比例為11.7%，其中日本申請(qǐng)總量422 件，美國(guó)為146 件，韓國(guó)為48 件，德國(guó)為44 件。2003 年至今，儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域在中國(guó)的布局情況見(jiàn)表1。

由表1 可見(jiàn)，在儲(chǔ)氫領(lǐng)域，中國(guó)本土申請(qǐng)人的專利總量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，尤其是近年來(lái)布局密集。按申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)數(shù)量排名靠前的機(jī)構(gòu)有中科院、浙江大學(xué)、北京有色金屬研究總院、中國(guó)鋼研、武漢格羅夫氫能汽車有限公司等。日本自1985年、美國(guó)自1986 年以來(lái)便開(kāi)始在國(guó)內(nèi)布局儲(chǔ)氫領(lǐng)域技術(shù)，并連續(xù)多年申請(qǐng)相關(guān)專利。日本在中國(guó)相關(guān)專利布局整體上穩(wěn)定且持續(xù)，并在2005—2006年、2011—2013 年間呈現(xiàn)申請(qǐng)數(shù)量激增情況。日本主要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)為松下集團(tuán)、豐田公司、宇部興產(chǎn)株式會(huì)社、湯淺公司、索尼公司等，美國(guó)主要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)有通用汽車、巴斯夫司、通用電氣等。其他海外申請(qǐng)國(guó)還包括法國(guó)、英國(guó)、加拿大、瑞士等國(guó)家。

表1 儲(chǔ)氫專利國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人國(guó)家來(lái)源分布（排名前十） （件）

2.3 申請(qǐng)人專利布局與類型分析

2.3.1 申請(qǐng)人排名及專利布局分析

調(diào)查國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫方面專利申請(qǐng)排在前20 的機(jī)構(gòu)，將儲(chǔ)氫相關(guān)專利技術(shù)分為電源系統(tǒng)/能源綜合系統(tǒng)（含組件相關(guān)技術(shù)）、燃料電池/蓄電池、儲(chǔ)氫材料/合金、儲(chǔ)氫容器、助力自行車五類，通過(guò)技術(shù)聚類與人工數(shù)據(jù)校驗(yàn)，分析國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)機(jī)構(gòu)專利數(shù)量分布，見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)主要儲(chǔ)氫專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域分布 （件）

國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫專利集中在儲(chǔ)氫材料/合金、燃料電池/蓄電池、儲(chǔ)氫容器、綜合能源系統(tǒng)利用等技術(shù)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)重要相關(guān)專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)與重點(diǎn)布局有：浙江大學(xué)在儲(chǔ)氫材料及其制備方法、高壓儲(chǔ)氫容器相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域；北京有色金屬研究總院相關(guān)專利，主要包括儲(chǔ)氫材料/合金、儲(chǔ)氫裝置（儲(chǔ)氫罐）、儲(chǔ)氫控制系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域；西安交通大學(xué)在電力能源系統(tǒng)、分布式供能系統(tǒng)、太陽(yáng)能氫電聯(lián)產(chǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域。

其他申請(qǐng)專利數(shù)量較多的機(jī)構(gòu)為日本的三洋電機(jī)株式會(huì)社、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社，儲(chǔ)氫專利主要為蓄電池相關(guān)技術(shù)，如蓄電池用貯氫合金、鎳氫蓄電池、燃料電池儲(chǔ)氫等，較少在國(guó)內(nèi)布局儲(chǔ)氫容器、儲(chǔ)氫相關(guān)技術(shù)。

2.3.2 申請(qǐng)人類型分布

我國(guó)儲(chǔ)氫領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人類型見(jiàn)圖2，其中企業(yè)申請(qǐng)最為活躍，占主導(dǎo)地位；其次是高校和科研單位，申請(qǐng)量約占總量的1/3，高校和科研單位的專利申請(qǐng)部分與企業(yè)合作，受到市場(chǎng)廣泛關(guān)注。儲(chǔ)氫領(lǐng)域是對(duì)專利依賴度非常高的產(chǎn)業(yè)，專利占有量直接反映了相關(guān)市場(chǎng)情況。從申請(qǐng)人類型分布上看，企業(yè)申請(qǐng)量遠(yuǎn)高于科研院校，儲(chǔ)氫專利與市場(chǎng)結(jié)合緊密，產(chǎn)業(yè)態(tài)勢(shì)較好。

圖2 儲(chǔ)氫專利申請(qǐng)人類型（國(guó)內(nèi)）

2.4 專利技術(shù)構(gòu)成功效分析

為進(jìn)一步探索儲(chǔ)氫主要技術(shù)分布與技術(shù)演變情況，判斷相關(guān)應(yīng)用的技術(shù)研發(fā)路線，分析國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫專利的技術(shù)構(gòu)成功效。儲(chǔ)氫專利技術(shù)功效主要集中在降低復(fù)雜性、降低成本、提高安全性與穩(wěn)定性方面，見(jiàn)表3、表4。

表3 儲(chǔ)氫專利技術(shù)功效分析

表4 IPC 分類含義及對(duì)應(yīng)的主要儲(chǔ)氫技術(shù)類別

1）降低儲(chǔ)氫復(fù)雜性。相關(guān)技術(shù)專利聚焦于固態(tài)儲(chǔ)氫、大容量氫能存儲(chǔ)裝置、燃料電池儲(chǔ)氫、供氫系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)。由于固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用已相對(duì)成熟，并具有較低的成本優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前技術(shù)更關(guān)注使用的新材料和新工藝的利用效率提升，如儲(chǔ)氫材料的更新迭代、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置升級(jí)、固態(tài)儲(chǔ)氫利用性能提升、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化等。

2）降低儲(chǔ)氫成本。主要集中在儲(chǔ)氫容器的性能改進(jìn)、材料制備、生產(chǎn)工藝提升技術(shù)，電池電源系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)，液態(tài)儲(chǔ)氫利用改進(jìn)技術(shù)，制氫-儲(chǔ)氫-運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)等。

3）提高儲(chǔ)氫安全性與穩(wěn)定性。主要聚焦于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液氫存儲(chǔ)技術(shù)，燃料電池氫能利用（太陽(yáng)能發(fā)電、助力自行車），加氫/供氫系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)等。

2.5 法律狀態(tài)分析

專利法律狀態(tài)信息在專利全生命周期過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的，且類型多樣，一般可分為“有效”和“失效”兩類。利用專利存活率指標(biāo)，即專利存活量/專利申請(qǐng)量數(shù)值可衡量專利的整體質(zhì)量情況[4]。根據(jù)Incopat 數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)儲(chǔ)氫專利總體法律狀態(tài)見(jiàn)圖3。截至2022 年5 月，我國(guó)儲(chǔ)氫有效專利2 726 件，失效專利2 332 件，審中專利1 659 件，計(jì)算總存活率超過(guò)0.4。專利數(shù)量眾多，有效專利占比較大，符合近年來(lái)申請(qǐng)量的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，一定程度上反映了專利總體質(zhì)量較高。

圖3 儲(chǔ)氫專利法律狀態(tài)分布情況

2.6 行業(yè)前景分析

專利技術(shù)的生命周期通常分為萌芽期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰落期，通過(guò)申請(qǐng)人數(shù)量與專利申請(qǐng)量之間的關(guān)系分析判定[5]，見(jiàn)圖4。2003—2014 年間，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫專利經(jīng)歷了完整生命周期后，2015 年后國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)入新的快速發(fā)展期。2015 年后，部分儲(chǔ)氫技術(shù)已達(dá)到成熟，但市場(chǎng)對(duì)于新技術(shù)、新應(yīng)用有較大需求。由于儲(chǔ)氫技術(shù)在氫能利用環(huán)節(jié)中占據(jù)重要地位，上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)儲(chǔ)氫技術(shù)的投資與發(fā)展，市場(chǎng)仍保持著相關(guān)技術(shù)投資、研發(fā)的熱度。

圖4 2003-2021 年國(guó)內(nèi)專利技術(shù)生命周期圖

3 結(jié)論

1）目前，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫專利技術(shù)持有人大部分為本土申請(qǐng)人。部分研究機(jī)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)氫領(lǐng)域十分關(guān)注并大量研究，包括浙江大學(xué)、燕山大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京有色金屬研究總院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等科研院所等。各類型企業(yè)申請(qǐng)專利活躍，專利分布總體零散，暫無(wú)儲(chǔ)氫領(lǐng)域技術(shù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)企業(yè)。

2）國(guó)外主要競(jìng)爭(zhēng)者來(lái)自日本、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)，重點(diǎn)在氫燃料電池（電化學(xué)儲(chǔ)氫）領(lǐng)域布局，并涉及高壓液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫等領(lǐng)域。技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家在儲(chǔ)氫領(lǐng)域?qū)χ袊?guó)市場(chǎng)重視不足，尤其是其大型能源企業(yè)在中國(guó)儲(chǔ)氫方面布局較少，發(fā)電/綜合能源系統(tǒng)、動(dòng)力自行車氫能利用等方面的專利極少。

3）國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫專利覆蓋儲(chǔ)氫各門(mén)類相關(guān)技術(shù)，過(guò)度集中于燃料電池系統(tǒng)改進(jìn)、儲(chǔ)氫容器、儲(chǔ)氫合金等領(lǐng)域，對(duì)各類新材料應(yīng)用于儲(chǔ)氫裝置的嘗試層出不窮，如鎂基、鈦鐵基、鈦錳系儲(chǔ)氫合金等的改進(jìn)，燃料電池用高容量貯氫合金的優(yōu)化等。且近年來(lái)在氫能發(fā)電系統(tǒng)、分布式電源系統(tǒng)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等方面申請(qǐng)逐漸增多。

4）在國(guó)家相關(guān)政策的支持與引導(dǎo)下，近年來(lái)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展十分活躍，當(dāng)前處于快速發(fā)展期。氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、利用各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響、相互推動(dòng)，儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用技術(shù)、場(chǎng)景涌現(xiàn)，成本也在不斷降低，具有良好的發(fā)展前景。