王秀林，隋依言，侯建國(guó)，鄭 珩，張雨晴，張新波，宋鵬飛，張 瑜

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 工業(yè)排放氣綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225）

近年來(lái)，隨著碳減排壓力不斷增大及雙碳目標(biāo)的提出，氫能作為一種綠色、低碳的清潔能源越來(lái)越被大家認(rèn)可和重視，而交通領(lǐng)域是氫能應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)[1-4]。截止2022 年底，全球累計(jì)建設(shè)加氫站814 座，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)已建設(shè)的加氫站中，約15%的加氫站采用站內(nèi)制氫的方式[5-7]。站內(nèi)制氫方式可以節(jié)省氫氣的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)及中間成本[4-10]，使氫氣終端價(jià)格降低15%～20%。站內(nèi)制氫技術(shù)主要包括天然氣制氫、電解水制氫和甲醇制氫等[7-9]。

加氫站進(jìn)行小型站內(nèi)天然氣制氫可應(yīng)用目前成熟的天然氣輸配網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地解決現(xiàn)階段氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本較高的問(wèn)題[10-17]，鑒于此，在沒(méi)有開(kāi)發(fā)出更高效經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)之前，在加氫站內(nèi)進(jìn)行天然氣制氫將是現(xiàn)階段最經(jīng)濟(jì)的制氫方式之一[10]。同時(shí)，由于加氫站通常建設(shè)在城市周邊，因用地限制和安全要求，也對(duì)站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[18-24]。將傳統(tǒng)的天然氣制氫技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的小型化無(wú)法滿足站內(nèi)制氫的實(shí)際要求，需要從工藝系統(tǒng)優(yōu)化、催化劑研發(fā)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文通過(guò)研究小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利，分析重點(diǎn)企業(yè)的研究狀況及技術(shù)路線，解讀重點(diǎn)專(zhuān)利，闡述小型站內(nèi)天然氣制氫存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向，研究成果可有效指導(dǎo)我國(guó)小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究方向，為我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)技術(shù)力量。

1 技術(shù)趨勢(shì)分析

1.1 專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)

對(duì)Patsnap數(shù)據(jù)庫(kù)中1970年以來(lái)美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)和中國(guó)等126 個(gè)國(guó)家或地區(qū)的專(zhuān)利進(jìn)行了檢索和篩查，選擇1265 條相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行了重點(diǎn)分析，研究了小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

小型站內(nèi)天然氣制氫專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)和技術(shù)生命周期曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.1 Trend of patent application

圖2 技術(shù)生命周期曲線Fig.2 Technology life cycle curves

從技術(shù)可持續(xù)發(fā)展性和技術(shù)開(kāi)發(fā)量角度分析，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量在2005 年最多，這個(gè)階段以液態(tài)空氣喬治斯克勞帝方法研究開(kāi)發(fā)股份有限公司為代表，研究重點(diǎn)在于小型站內(nèi)天然氣制氫的氫氣提純、凈化的技術(shù)領(lǐng)域。從技術(shù)開(kāi)發(fā)生命周期角度分析，技術(shù)研發(fā)周期曲線呈現(xiàn)盤(pán)旋狀態(tài)，現(xiàn)階段技術(shù)研發(fā)仍處于萌芽期階段，各研究單位仍在探究更優(yōu)的解決方案。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

從近30 年的5000 條專(zhuān)利中提取語(yǔ)義關(guān)鍵詞繪制了小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的創(chuàng)新詞云圖和旭日?qǐng)D，分別如圖3和圖4所示。

圖3 小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.3 Creative words cloud map of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

圖4 小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)旭日?qǐng)DFig.4 Sunburst chart of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的關(guān)鍵開(kāi)發(fā)方向是蒸汽重整工藝，其次是反應(yīng)器等設(shè)備研發(fā)和催化劑研究，說(shuō)明國(guó)內(nèi)外商業(yè)化主流的小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)工藝路線主要為“天然氣蒸氣重整+一氧化碳變換+變壓吸附提純”?，F(xiàn)階段小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)還存在系統(tǒng)占地大、轉(zhuǎn)化爐高度影響加氫站周邊環(huán)境、副產(chǎn)水蒸氣無(wú)使用場(chǎng)景、蒸氣系統(tǒng)控制復(fù)雜和整套系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，因此，解決上述問(wèn)題是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的研究重點(diǎn)。所謂小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)并不簡(jiǎn)單是成熟的大型天然氣制氫的小型化，需要在工藝流程設(shè)計(jì)、新型天然氣重整反應(yīng)器設(shè)計(jì)、催化劑升級(jí)、系統(tǒng)3D設(shè)計(jì)和能量循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

2 申請(qǐng)人分析

2.1 申請(qǐng)人排名

近30 年小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)主要申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量及主要申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)分別如圖5 和圖6 所示，該領(lǐng)域全球技術(shù)開(kāi)發(fā)量排名前10的主要的技術(shù)研發(fā)公司，全為國(guó)外企業(yè)。

圖5 主要申請(qǐng)人近30年專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量Fig.5 Amounts of patent application by major applicants in recent 30 years

圖6 主要申請(qǐng)人近30年專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.6 Trends of patent application by major applicants in recent 30 years

國(guó)外企業(yè)在該領(lǐng)域占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)的時(shí)間較早，也說(shuō)明我國(guó)在小型站內(nèi)天然氣制氫的技術(shù)研發(fā)的專(zhuān)利總量上還有差距。

2.2 主要申請(qǐng)人地域分布

申請(qǐng)人的地域分布如圖7 所示，目前主要申請(qǐng)人重點(diǎn)在美國(guó)、歐洲和日本進(jìn)行相關(guān)專(zhuān)利布局。

圖7 申請(qǐng)人地域分布Fig.7 Geographical distribution of patent applicants

同時(shí)如法國(guó)液化空氣集團(tuán)等龍頭企業(yè)也在我國(guó)進(jìn)行了技術(shù)布局，但數(shù)量不多。這和我國(guó)小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)工業(yè)化還未成熟有一定關(guān)聯(lián)，但同時(shí)也說(shuō)明我國(guó)本土市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2.3 申請(qǐng)人技術(shù)專(zhuān)利集中度分析

使用最新的5000 條專(zhuān)利繪制小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的領(lǐng)域地圖如圖8 所示，對(duì)應(yīng)格子數(shù)量為每家企業(yè)的專(zhuān)利覆蓋率，每個(gè)格子代表的專(zhuān)利數(shù)量相同。由圖8 可知，小型站內(nèi)天然氣制氫是主流的技術(shù)手段，其次催化劑研發(fā)、合成氣分離提純和反應(yīng)器優(yōu)化也都是主流研發(fā)方向。但沒(méi)有任何企業(yè)將技術(shù)領(lǐng)域地圖的格子全部占滿，即沒(méi)有任何企業(yè)在某個(gè)技術(shù)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)完全的壟斷，因此這對(duì)于企業(yè)技術(shù)研發(fā)是一個(gè)機(jī)會(huì)，說(shuō)明小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)沒(méi)有被某一家企業(yè)所壟斷。

圖8 技術(shù)領(lǐng)域地圖Fig.8 Technology domain map

技術(shù)專(zhuān)利集中度分析如圖9 所示，近幾年技術(shù)專(zhuān)利集中程度較高，基本維持在80%左右，代表著參與研發(fā)的主體以大型企業(yè)和高校為主，中小型企業(yè)參與程度不高，導(dǎo)致技術(shù)保有量主要集中在少數(shù)企業(yè)和高校手中。

圖9 技術(shù)專(zhuān)利集中度分析Fig.9 Patent concentration analysis

從技術(shù)研發(fā)方向和態(tài)勢(shì)分析，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研發(fā)主要集中在工藝優(yōu)化上，其次是對(duì)催化劑和核心反應(yīng)器的優(yōu)化，說(shuō)明天然氣制氫裝置的小型化、橇塊化需要對(duì)天然氣制氫成套技術(shù)的工藝流程、催化劑配方、轉(zhuǎn)化爐和控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并有針對(duì)性的對(duì)各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

3 專(zhuān)利申請(qǐng)地域布局及趨勢(shì)分析

3.1 專(zhuān)利申請(qǐng)地域布局分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)來(lái)源地域分布和技術(shù)應(yīng)用地域分布分別如圖10 和圖11 所示（百分?jǐn)?shù)為專(zhuān)利申請(qǐng)占比，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為專(zhuān)利數(shù)量），其不僅能夠表示該技術(shù)在不同國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展程度，也能夠反映出該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的市場(chǎng)分布。由圖10 和圖11 可知，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)來(lái)源排名由多到少是：美國(guó)、日本、法國(guó)和中國(guó)；技術(shù)應(yīng)用排名由多到少是：日本、美國(guó)、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織和中國(guó)。

圖10 技術(shù)來(lái)源地域分布Fig.10 Distribution of technology source areas

圖11 技術(shù)應(yīng)用地域分布Fig.11 Distribution of technology application areas

在技術(shù)的來(lái)源上，美國(guó)排名第一；在技術(shù)的應(yīng)用上，日本排名第一；中國(guó)在技術(shù)來(lái)源上占比為7.89%，在技術(shù)的應(yīng)用上占比為10.93%，說(shuō)明我國(guó)的應(yīng)用技術(shù)有很大一部分是其他國(guó)家開(kāi)發(fā)的，或我國(guó)引進(jìn)了大量國(guó)外技術(shù)。

3.2 專(zhuān)利申請(qǐng)地域趨勢(shì)分析

技術(shù)來(lái)源趨勢(shì)和技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)分別如圖12 和圖13所示，小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量顯示出逐漸遞增的趨勢(shì)，并且一直很活躍。主要技術(shù)來(lái)源及技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明大部分技術(shù)研發(fā)國(guó)也是技術(shù)應(yīng)用國(guó)。而我國(guó)的技術(shù)研發(fā)數(shù)量低于技術(shù)應(yīng)用數(shù)量，說(shuō)明我國(guó)沒(méi)有足夠的技術(shù)開(kāi)發(fā)，但我國(guó)市場(chǎng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的需求多，有部分海外企業(yè)在我國(guó)進(jìn)行了技術(shù)布局，說(shuō)明我國(guó)未來(lái)也是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的重要市場(chǎng)。

圖12 技術(shù)來(lái)源趨勢(shì)Fig.12 Technology source trend

圖13 技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)Fig.13 Technology application trend

3.3 典型地區(qū)專(zhuān)利流向分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)在中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)5個(gè)典型地區(qū)的技術(shù)來(lái)源情況和市場(chǎng)布局情況如圖14所示。

圖14 中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)的市場(chǎng)布局Fig.14 Market layout of China,the United States,Europe,Japan and South Korea

圖15 中國(guó)各省市專(zhuān)利申請(qǐng)分布Fig.15 Distribution of patent applications in various provinces and cities in China

整體上看，美國(guó)和日本在技術(shù)數(shù)量上占據(jù)絕對(duì)的領(lǐng)先地位，而5 個(gè)地區(qū)均有技術(shù)布局在美國(guó)和日本兩地。相比而言，我國(guó)的海外布局基本未見(jiàn)，只有美國(guó)和日本在我國(guó)均進(jìn)行了少量技術(shù)布局。

3.4 中國(guó)各省市小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專(zhuān)利市場(chǎng)布局

我國(guó)各省市小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)分布及申請(qǐng)趨勢(shì)分布情況分別如圖16和圖17所示，專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在廣東、北京、遼寧、河南、上海和四川，而小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研發(fā)高潮興起于2006年。

圖16 中國(guó)各省市專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.16 Trends of patent application in various provinces and cities in China

圖17 功效矩陣圖Fig.17 Efficiency matrix diagram

4 重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

4.1 功效矩陣分析

小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)功效矩陣圖如圖17所示。由圖17 可知，氫氣提純方面的技術(shù)專(zhuān)利較多，其次是制氫系統(tǒng)熱量平衡設(shè)計(jì)和提高制氫反應(yīng)效率，而在降低成本方面的專(zhuān)利相對(duì)較少。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)分析

近5 年和近10 年的小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)創(chuàng)新詞云圖如圖18 和圖19 所示，分析小型站內(nèi)天然氣制氫的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，可知在近10年的研究發(fā)展中，天然氣蒸汽重整技術(shù)一直是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的主要工藝。由于重整反應(yīng)需要在高溫高壓下進(jìn)行，催化劑的穩(wěn)定性、反應(yīng)器的耐壓性等方面相比于成熟的大型天然氣制氫技術(shù)需要得到進(jìn)一步的提升。此外，針對(duì)于燃料電池車(chē)加注用氫氣還需要解決氫氣的分離、純化等問(wèn)題，并確保制氫效率和安全性。近10 年相關(guān)主要研究熱點(diǎn)未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明該技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)仍未被攻克，一直是小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究領(lǐng)域的主要發(fā)力點(diǎn)，而在小型站內(nèi)天然氣制氫設(shè)備和材料研究方面，重整反應(yīng)器則一直是最熱門(mén)的研究領(lǐng)域。

圖18 近5年技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.18 Cloud map of technological innovation words in recent 5 years

圖19 近10年技術(shù)創(chuàng)新詞云圖Fig.19 Cloud map of technological innovation words in recent 10 years

5 結(jié)論及建議

通過(guò)檢索分析近30 年國(guó)內(nèi)外小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)專(zhuān)利現(xiàn)狀，從技術(shù)構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)、申請(qǐng)人及專(zhuān)利區(qū)域布局等方面研究了該技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，并通過(guò)分析重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)功效闡述了該技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，得出以下主要結(jié)論。

（1）現(xiàn)階段小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)研究重點(diǎn)在于工藝流程、重整反應(yīng)器、催化劑、系統(tǒng)集成與控制、純化和熱量平衡設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

（2）我國(guó)對(duì)于小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的技術(shù)需求量較高且本土市場(chǎng)體量較大，但從技術(shù)研發(fā)的角度，美國(guó)和日本在該技術(shù)領(lǐng)域仍處于龍頭地位。

（3）在小型站內(nèi)天然氣制氫商業(yè)化的技術(shù)路線上，我國(guó)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)總量仍相對(duì)落后，當(dāng)前技術(shù)研發(fā)主體主要為體量較大的大型企業(yè)或者高校，中小型企業(yè)參與度低，技術(shù)專(zhuān)利集中度水平較高。但近年來(lái)隨著參與該技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的中國(guó)企業(yè)不斷增多，相關(guān)成果也將不斷快速落地。

與歐美、日本等地區(qū)相比，我國(guó)在小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)領(lǐng)域還存在難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。但同時(shí)，隨著我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)特別是交通領(lǐng)域氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫氣需求量將會(huì)顯著增加。站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)相比于其他站內(nèi)制氫技術(shù)生產(chǎn)效率較高，且生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，在中短期內(nèi)具有成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也使加油加氣站改擴(kuò)建加氫站更加便捷，具有廣闊發(fā)展前景。隨著小型站內(nèi)天然氣制氫技術(shù)的不斷成熟和工程化應(yīng)用以及其他站內(nèi)制氫技術(shù)及成本的升級(jí)和優(yōu)化，各種技術(shù)之間根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)和合作，可為氫氣產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇，并有效助力我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。