周樹(shù)輝，王秀林，段品佳，張 瑜，隋依言，盧 璐

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

2021年，“碳達(dá)峰”和“碳中和”在兩會(huì)上作為中國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，首次被寫(xiě)入政府工作報(bào)告，彰顯了中國(guó)堅(jiān)持走低碳發(fā)展道路的決心。在加速能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下，氫能憑借零污染、能量高、資源豐富、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)家的高度重視，并積極引導(dǎo)、支持其發(fā)展。

中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)2020～2025 年間，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)1 萬(wàn)億元，2026～2035 年達(dá)到5 萬(wàn)億元。我國(guó)氫能已逐步建立起氫能制儲(chǔ)運(yùn)加用等重點(diǎn)環(huán)節(jié)較完整的產(chǎn)業(yè)鏈[1]。但氫氣的穩(wěn)定性極差，泄漏后易發(fā)生燃燒和爆炸，使得儲(chǔ)運(yùn)難度大、成本高、安全性低，從而對(duì)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為目前發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[2]，體積比容量小。各儲(chǔ)氫技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)2003 年以來(lái)美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)等126個(gè)國(guó)家/地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，抓取高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域共2276 條專利，從申請(qǐng)數(shù)量、技術(shù)方向、專利持有人、市場(chǎng)布局等角度對(duì)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行了判斷和預(yù)測(cè)，從而了解該行業(yè)的技術(shù)聚焦點(diǎn)、市場(chǎng)布局等，為下一步的研發(fā)方向及重點(diǎn)投入提供技術(shù)支持。

1 技術(shù)趨勢(shì)分析

1.1 技術(shù)申請(qǐng)趨勢(shì)

2003—2016 年，專利申請(qǐng)及授權(quán)數(shù)量保持平穩(wěn)，如圖1所示，數(shù)量均小于100件，2017年申請(qǐng)數(shù)量激增，2020 年達(dá)到峰值。說(shuō)明研究逐漸受到各個(gè)企業(yè)或技術(shù)開(kāi)發(fā)者的重視，正在積極進(jìn)行技術(shù)布局。經(jīng)調(diào)查，2016 年8 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，指出氫能是新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。氫燃料電池汽車是氫能利用的重要產(chǎn)業(yè)之一，加氫站是為氫燃料電池汽車及其他氫能利用裝置提供氫氣的核心基礎(chǔ)設(shè)施[3]。2016 年制定的《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施路線圖》規(guī)劃目標(biāo)：到2020 年，以能源形式利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)到720 億m3；加氫站數(shù)量達(dá)到100 座；燃料電池車輛達(dá)到100000 輛；氫能軌道交通車輛達(dá)到50列；行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3000億元。到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破10000億元；加氫站數(shù)量達(dá)到1000 座，燃料電池車輛保有量達(dá)到200 萬(wàn)輛[4]。中央和地方政府(廣東省、上海市、蘇州市等)相繼出臺(tái)了加氫站補(bǔ)助政策，國(guó)家能源集團(tuán)、中石化及中石油等企業(yè)也紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展起到了刺激作用。

圖1 專利數(shù)量情況Fig.1 Number of patents

國(guó)家政策的出臺(tái)，推動(dòng)了氫能產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展。由此可見(jiàn)，該技術(shù)周期處于成長(zhǎng)期。

技術(shù)授權(quán)占比整體趨勢(shì)較為平穩(wěn)，僅在2014年技術(shù)授權(quán)占比激增，隨后迅速回落且呈逐年下降趨勢(shì)，說(shuō)明2014 年前后可能出現(xiàn)重大技術(shù)突破。近年來(lái)出現(xiàn)技術(shù)瓶頸，技術(shù)壁壘逐年升高，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新性提出了非常高的要求。

1.2 技術(shù)聚焦點(diǎn)

1.2.1 技術(shù)分支

進(jìn)一步聚焦發(fā)現(xiàn)，四大熱點(diǎn)技術(shù)方向?yàn)椤皦毫θ萜鳌薄叭萜骰蛉萜餮b填排放的零部件”“液化、固化或壓縮氣體”和“成型復(fù)合材料”。研究方向以最左側(cè)一列技術(shù)為主，如圖2所示，分別是“壓力容器，如氣瓶、氣罐、可替換的筒”和“容器或容器裝填排放的零部件”。這兩大技術(shù)方向也是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域；此外，在其他類似技術(shù)領(lǐng)域挖掘技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行突破，以達(dá)到降本增效的目的。

圖2 技術(shù)聚焦區(qū)塊圖Fig.2 Technical focus block diagram

將技術(shù)板塊做成趨勢(shì)圖，如表2所示，近20年間，“壓力容器，如氣瓶、氣罐、可替換的筒”和“容器或容器裝填排放的零部件”兩個(gè)技術(shù)方向的申請(qǐng)專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他技術(shù)，故高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是目前主流的研發(fā)方向，前景廣闊。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

從最近5000 條專利中提取語(yǔ)義關(guān)鍵詞和主題詞，做成旭日?qǐng)D，如圖3所示，外層的關(guān)鍵詞是內(nèi)層關(guān)鍵詞的進(jìn)一步分解[5]。內(nèi)層主流技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓氫”“壓力容器”“儲(chǔ)氣瓶”“復(fù)合材料”“支撐結(jié)構(gòu)”“壓力傳感器”等；對(duì)技術(shù)進(jìn)行分解，得到外層細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓容器”“高壓氣瓶”“密封結(jié)構(gòu)”“碳纖維”“儲(chǔ)氫瓶”等，既是當(dāng)前研究最熱門的方向，也是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。了解高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域內(nèi)比較詳細(xì)的技術(shù)聚焦點(diǎn)及細(xì)分領(lǐng)域，為知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局工作提供參考。

通過(guò)創(chuàng)新詞云可以了解高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域內(nèi)最熱門的技術(shù)主題詞，提取了領(lǐng)域中最近5000 條專利中最常見(jiàn)的關(guān)鍵詞，分析最新重點(diǎn)研發(fā)的主題，可知，當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新熱點(diǎn)與旭日?qǐng)D保持一致。

1.3 技術(shù)壟斷分析

1.3.1 技術(shù)集中度分析

通過(guò)分析主要申請(qǐng)人持有專利的數(shù)量，判斷近20 年技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)激烈程度和壟斷性。如圖4 所示，技術(shù)整體的壟斷性不高，且趨勢(shì)較為平穩(wěn)。2014年技術(shù)壟斷性大幅升高至72.58%，創(chuàng)歷史新高，隨后大幅回落。在2014 年發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)(2014—2020 年)》中，正式將“氫能與燃料電池”作為能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向[6]。眾多企業(yè)積極投身發(fā)展氫能和燃料電池等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，從而促使越來(lái)越多的企業(yè)或個(gè)人介入。

圖4 技術(shù)集中度分析Fig.4 Technology concentration analysis

1.3.2 技術(shù)壟斷區(qū)塊分析

領(lǐng)域地圖中大格子代表一類技術(shù)的研究總數(shù)，較小的灰色格子代表一定數(shù)量的技術(shù)研發(fā)量。不同顏色的格子代表不同公司，每個(gè)格子代表相同數(shù)量的專利。提取儲(chǔ)氫領(lǐng)域內(nèi)最新的5000 條專利，將每家公司的專利覆蓋在不同領(lǐng)域內(nèi)，了解其技術(shù)概念，以便于區(qū)分不同公司的技術(shù)焦點(diǎn)[7]。

如圖5所示，每個(gè)大格子內(nèi)均未被占滿，說(shuō)明各技術(shù)均存在很大的發(fā)展空間，不存在壟斷現(xiàn)象。進(jìn)一步聚焦技術(shù)研發(fā)方向，浙江大學(xué)在復(fù)合材料、儲(chǔ)氫容器、高壓氣瓶等方向均有非常廣泛的技術(shù)布局，江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司在高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域的技術(shù)布局范圍也較廣，且應(yīng)用效果良好。

圖5 技術(shù)壟斷區(qū)塊圖Fig.5 Block diagram of technology monopoly

2 專利持有者分析

對(duì)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域內(nèi)主要申請(qǐng)人專利總量的整體對(duì)比，如圖6所示。排名前10的技術(shù)持有者及其所在公司超過(guò)半數(shù)為中國(guó)企業(yè)，說(shuō)明中國(guó)的技術(shù)研發(fā)投入較大。其中，浙江大學(xué)的技術(shù)研發(fā)總量遠(yuǎn)超其他企業(yè)，其重點(diǎn)研究方向聚焦在高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器的材料分析及優(yōu)化測(cè)試等，亞普汽車部件股份有限公司在高壓密封結(jié)構(gòu)及車用儲(chǔ)氫瓶等方向布局廣泛，江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司于2020年前后異軍突起，在各類瓶閥和其檢測(cè)裝置、塑料內(nèi)膽碳纖維纏繞工藝等方向也具有較為突出的技術(shù)研發(fā)實(shí)力。近10 年各技術(shù)開(kāi)發(fā)方明顯活躍起來(lái)。2015 年前后石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司在高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫纏繞工藝方面有一定的技術(shù)突破，但近幾年勢(shì)頭減弱。

圖6 技術(shù)持有者排名及研發(fā)趨勢(shì)Fig.6 Technology owner ranking and R & D trends

2.1 專利持有者地域分布

對(duì)專利持有者的地域分布情況進(jìn)行分析，如圖7所示，主要技術(shù)幾乎全部集中在中國(guó)。從橫向上看，約瑟夫?傅里葉大學(xué)的技術(shù)布局范圍最廣，在日本的技術(shù)布局最多；德國(guó)林德股份公司重點(diǎn)在本國(guó)進(jìn)行了技術(shù)布局。從縱向上看，中國(guó)企業(yè)的技術(shù)布局主要集中在本土，幾乎沒(méi)有海外布局，未來(lái)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。

圖7 技術(shù)持有者地域分布情況Fig.7 Geographical Distribution of technology holders

2018年至今的新入者全部為中國(guó)企業(yè)，如圖8所示，說(shuō)明中國(guó)本土的技術(shù)市場(chǎng)潛力較大。除江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司以外，張家港氫云新能源研究院有限公司在行業(yè)也有一定的科技成果，參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)的氫能行業(yè)規(guī)劃的編制，成為后起之秀。

圖8 近5年新進(jìn)入者Fig.8 New entrants in the last five years

2.2 重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)方向

對(duì)行業(yè)內(nèi)專利持有者的技術(shù)研究方向進(jìn)行分析，如圖9 和表3 所示。從專利聚焦的角度來(lái)看，江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司的技術(shù)布局領(lǐng)域最廣，涉及F17C1、F17C13、F17C5、B21D22、F17C7等7個(gè)研究領(lǐng)域；亞普汽車部件股份有限公司在F17C1、F17C13 兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)聚焦較為突出。從技術(shù)分類數(shù)據(jù)縱向來(lái)看，排名前10 的企業(yè)主要核心技術(shù)布局集中于高壓氣瓶及其零部件等，說(shuō)明高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫這一技術(shù)領(lǐng)域是目前的熱門研究方向；部分企業(yè)如林德股份公司等，也有一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力布局液態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域。

圖9 重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)方向Fig.9 Key technology research and development direction

表3 IPC分類號(hào)及其定義Table 3 IPC classification number and its definition

2.3 主要專利持有者的合作關(guān)系

圖10 為幾家主要專利持有者的合作關(guān)系圖，整體上看國(guó)內(nèi)企業(yè)的合作關(guān)系不強(qiáng)，幾乎都是獨(dú)自發(fā)展、孤軍奮戰(zhàn)。林德股份有限公司、本田技研工業(yè)株式會(huì)社、液態(tài)空氣等國(guó)外公司的合作關(guān)系密切。建議國(guó)內(nèi)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中增強(qiáng)企業(yè)或高校間的合作，加強(qiáng)整體技術(shù)研發(fā)實(shí)力。

3 市場(chǎng)布局分析

3.1 市場(chǎng)地域分布

為了解技術(shù)在不同國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展程度、專利申請(qǐng)分布的區(qū)域和申請(qǐng)量的水平，將技術(shù)相關(guān)專利做成地域分布圖，如圖11和表4所示，第一大技術(shù)來(lái)源國(guó)和目標(biāo)市場(chǎng)均為中國(guó)，研發(fā)量遙遙領(lǐng)先于全球，其次是美國(guó)，日本第三。說(shuō)明中國(guó)的技術(shù)市場(chǎng)空間足夠大，但不排除國(guó)外企業(yè)將重點(diǎn)技術(shù)以秘密的形式進(jìn)行了權(quán)利保護(hù)。

圖11 技術(shù)來(lái)源國(guó)及趨勢(shì)Fig.11 Country of origin and trend of technology

表4 各國(guó)家年度專利申請(qǐng)情況Table 4 Annual patent applications by country

在技術(shù)應(yīng)用國(guó)中，中國(guó)的技術(shù)數(shù)量占比略微升高，而美國(guó)和日本卻有明顯下降，如圖12和表5所示，說(shuō)明中國(guó)的技術(shù)更多應(yīng)用于本土企業(yè)；而美國(guó)、日本等國(guó)外企業(yè)進(jìn)行了大量的海外布局乃至跨國(guó)合作，技術(shù)分布范圍廣。

圖12 技術(shù)應(yīng)用國(guó)及趨勢(shì)Fig.12 Country and trend of technology application

表5 各國(guó)家年度專利應(yīng)用情況Table 5 Annual patent application in each country

近20 年數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的技術(shù)活躍度和市場(chǎng)趨勢(shì)，一直處于遙遙領(lǐng)先的態(tài)勢(shì)，遠(yuǎn)高于美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家。技術(shù)研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)基本一致，中國(guó)相關(guān)技術(shù)沒(méi)有進(jìn)行廣泛的海外布局，且整體技術(shù)研發(fā)量以國(guó)內(nèi)為主導(dǎo)。技術(shù)應(yīng)用在近10 年才逐漸活躍起來(lái)，2017 年以來(lái)中國(guó)在技術(shù)研發(fā)上的態(tài)勢(shì)尤為迅猛，如表5所示。

3.2 專利流向圖

分析中、美、歐、日、韓五大局的專利流向，如圖13所示，了解該項(xiàng)技術(shù)被哪些國(guó)家的申請(qǐng)人所持有、布局到了哪些目標(biāo)市場(chǎng)。整體上看，各國(guó)以本國(guó)市場(chǎng)為主，海外布局偏少；中國(guó)在國(guó)內(nèi)的技術(shù)布局遠(yuǎn)高于國(guó)外，說(shuō)明國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空間足夠大，也可能受到其他國(guó)家技術(shù)壁壘的限制；美國(guó)和日本較為注重技術(shù)輸出，在國(guó)外的布局全面，市場(chǎng)占領(lǐng)度較高。

圖13 技術(shù)流向圖Fig.13 Technology flow chart

中國(guó)的技術(shù)申請(qǐng)量最大且側(cè)重于國(guó)內(nèi)，其他國(guó)籍申請(qǐng)人對(duì)中國(guó)的輸入比例較小。日本的技術(shù)申請(qǐng)量居全球第二，主要集中在國(guó)內(nèi)，但國(guó)外的專利申請(qǐng)量也較為可觀。美國(guó)和韓國(guó)主要在本國(guó)進(jìn)行布局，有部分技術(shù)輸出于中國(guó)和日本。

3.3 中國(guó)各省的市場(chǎng)布局

國(guó)內(nèi)的技術(shù)分布主要集中在北京、江蘇、浙江、上海及廣東等地，如圖14和表6所示。北京市的高校、科研院所和企業(yè)較多，技術(shù)創(chuàng)新布局和研發(fā)實(shí)力超前，在儲(chǔ)氫材料及其制備工藝、測(cè)試系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域均有深入研究，是中國(guó)當(dāng)前申請(qǐng)專利數(shù)量最多的省份，也是企業(yè)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所在的地區(qū)。

圖14 國(guó)內(nèi)的技術(shù)分布情況Fig.14 Technology distribution in China

表6 各省市年度專利申請(qǐng)情況Table 6 Annual patent applications by provinces

4 結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快，規(guī)模不斷增大[8]。國(guó)家出臺(tái)一系列政策和標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)支持氫能發(fā)展。目前北京市、上海市、佛山市、河北省、浙江省、山東省等數(shù)十個(gè)省(市)和地區(qū)發(fā)布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃/實(shí)施方案/行動(dòng)計(jì)劃；《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035 年)》明確了氫的能源屬性，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)，為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。

（1）儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)目前處于成長(zhǎng)期，產(chǎn)品滲透率較低，技術(shù)研發(fā)有待快速、高質(zhì)量突破。從儲(chǔ)氫技術(shù)成熟度、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面來(lái)看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍是當(dāng)下儲(chǔ)氫方式的最優(yōu)選擇，短中期高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍是主流。該行業(yè)技術(shù)壟斷性整體處于較低水平，熱點(diǎn)技術(shù)主要集中在以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器、復(fù)合材料、鋁合金等方向的研究。未來(lái)還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。纖維纏繞工藝所需的高分子復(fù)合材料具有減小儲(chǔ)氣瓶壁厚、提高容量和氫存儲(chǔ)效率等諸多優(yōu)勢(shì)，故其性能及成本是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶制備的關(guān)鍵。

（2）高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫相關(guān)專利申請(qǐng)總量排名前10的均為中國(guó)企業(yè)，我國(guó)的技術(shù)研發(fā)投入較大，未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。近年來(lái)，技術(shù)研發(fā)數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)，新進(jìn)入企業(yè)數(shù)量逐年增多，但高水平技術(shù)專利較少，對(duì)新進(jìn)入企業(yè)來(lái)說(shuō)是機(jī)遇；建議企業(yè)盡早入局，加快技術(shù)申請(qǐng)進(jìn)程，建立技術(shù)壁壘。

（3）各國(guó)對(duì)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的布局均以本國(guó)為主，海外偏少；中國(guó)本土技術(shù)布局?jǐn)?shù)量和研發(fā)投入遠(yuǎn)高于國(guó)外，技術(shù)市場(chǎng)空間足夠大，企業(yè)的創(chuàng)新能力和活躍度主要集中在北京市；美國(guó)、日本注重技術(shù)輸出，國(guó)外布局全面。