燃料电池汽车PEMFC技术空间分布及其演变

吴 婷 钟书华

(华中科技大学 公共管理学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

日本汤浅光朝发现并定义了科学中心，其理论为科学中心的研究奠定了基础。随着科学技术发展与技术论兴起，人们不断认识到科学与技术的重大差别，以及深入研究关于技术发展规律问题的必要性[1]。 基于专利申请量和优先权申请量来研究各国燃料电池汽车PEMFC技术的发展进程及相互间的差距，可多角度分析出各国在该领域的优势与不足，进而根据“汤浅现象”定义识别PEMFC技术的特强中心、强中心与弱中心。

根据“汤浅现象”理论，结合专利分析和“三个中心等级”的划分，对未来技术中心转移构建预测模型；同时，根据各国在燃料电池汽车领域的发展现状，为国家今后在该领域的发展提供参考信息。

1 PEMFC技术、数据来源与分析工具

1.1 发展燃料电池汽车的必要性

21世纪以来，世界经济高速发展伴随着生态环境的不断恶化。据资料显示，全球大多数城市的空气质量指数未能达到世界卫生组织建议的标准，且全世界90%城市的空气污染程度明显高于设定极限值。而城市空气污染源主要是汽车尾气及煤、石油和天然气的燃烧[2]。因此，全球汽车产业面临着石油短缺、环境污染、气候变暖，并由此给人类带来的各种疾病的挑战，鉴于此，新能源汽车已成为目前汽车工业发展的热点。目前，国际上正致力发展新能源汽车，各国政府及产业界纷纷提出发展战略，积极应对，以保持汽车产业的可持续发展。

新能源汽车主要分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。其中燃料电池主要以氢气、甲醇等新能源为燃料，通过化学反应产生电流。由于燃料电池汽车具有纯电动汽车没有的续驶里程局限小、补充能量快，以及电池安全性高、对环境友好等独特优点，世界再次聚焦燃料电池汽车。中国应抓住机遇，发展燃料电池汽车，这不仅是保护生态环境重要措施，更是实施创新驱动战略的理性选择。

1.2 PEMFC技术简介

根据使用电解质种类，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。PEMFC具有发电效率高、无污染、无噪声、冷启动快以及比功率高等优点[3]，应用广泛，最有希望成为未来电动汽车的发动机。

PEMFC是一种将存在于氢燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，原理上相当于水电解的“逆”装置。目前日本、美国、中国等国家PEMFC的专利数量占比较高，但中国与日本、美国还存在一定差距。另外，中国只有少部分车企保持对氢燃料电池汽车的投入，且不管在核心技术还是关键零部件都只是“跟跑者”。在技术领先国，PEMFC在技术上取得了一些突破，成本不断下降，这为燃料电池汽车市场化奠定了基础。在中国，尽管政策与文件中氢燃料电池汽车被列为大力发展的新能源汽车之一，但在执行和实践中，氢燃料电池汽车客观上已被边缘化和遭到忽视。

资料显示，燃料电池的大部分专利技术掌握在日本、韩国和美国的公司；排名前两位的专利权人是日本的丰田和本田汽车公司，两家公司在专利总量和燃料电池主路径的核心专利上同样占有优势。而PEMFC组件研究的大部分核心技术被国际燃料电池和美国通用汽车公司所掌握；通用汽车公司在电池发电系统方面也占有很多重要专利。

1.3 数据来源与分析工具

专利可以表征技术，指的是专利数据可以表征一个国家的技术创新水平，反映技术中心的地域分布和演变。因此，可根据专利申请量等相关数据分析PEMFC技术中心的空间分布，并基于技术演变过程图构建预测模型，对未来PEMFC技术中心变化进行预测。

目前，应用较广的专利数据库有美国专利商标局(USPTO)、欧洲专利数据库(EPO)、中国国家知识产权局专利数据库(SIPO)、德温特创新索引专利数据库(DII)等。其中，德温特专利数据库(DII)为全球提供专利信息，其主要整合了德温特世界专利索引(WPI)与专利引文索引 (Patents Citation Index)，囊括了全球专利数据信息，对数据库中的信息实时更新。

质子交换膜燃料电池亦称做固体聚合物燃料电池(solid polymer fuel cell)。这里选取德温特创新索引专利数据库(DII)进行专利数据收集，全球燃料电池汽车质子交换膜燃料电池专利检索表式如下：德温特手工代码: (X16-C01C) AND 主题: ("vehicle*")，其中X16-C01C代表固体聚合物燃料电池。使用该检索式于2019年7月9日检索出截至2018年12月31日的结果4270条，其中最早可追溯到1991年。导出相关数据，将数据清洗并整理后，利用SPSS软件进行数据统计与分析。

2 PEMFC技术的空间分布

2.1 各国专利申请量与优先权申请量关系分析

专利文献作为技术信息最有效的载体，比一般技术刊物提供的信息早5～6年，囊括了全球90%以上的最新技术情报[4]，是世界上最大的技术信息源。专利文献中约有70%～80%的发明成果未曾在其他非专利文献上发表过，因此，相对于其他文献形式，专利更具有新颖、实用的特征。对涉及PEMFC技术领域的世界专利申请进行梳理，得到1991-2018年各国PEMFC技术专利申请量占比图。图1所示，日本燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量最高，占世界的38.18%；其次是美国、中国、欧洲、韩国和德国，他们在该领域的专利申请量占比分别为16.4%、10.57%、9.46%、6.08%和5.72%。需说明的是，WO代表世界知识产权组织(Would Intellectual Property Organization，WIPO)，表示该专利经PCT条约，由WIPO进行登记，然后在多个国家进行专利申请了，标WO专利号，更多的是用于同族专利检索，其受理的专利申请量占世界的7.64%。另外，加拿大、澳大利亚、印度及法国等在该技术领域也有少量占比。从图1可发现，日本在燃料电池汽车PEMFC技术领域具有“一霸独大”地位。

图1 各国PEMFC技术专利申请量占比

图2 各国PEMFC技术专利申请量时间变化

统计表明，日本和美国燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量基本上一直保持着领先地位，特别是日本专利申请量不仅是世界第一，而且一直遥遥领先于美国(见图1)。中国和欧洲的专利申请量略低于美国，中国与欧洲、德国与韩国在PEMFC技术领域的专利申请量基本上保持着角逐式发展。加拿大自2000年以来该领域专利申请量每年基本上维持在15到30的水平，印度在2008-2010年受理的该领域专利申请量显著增长。澳大利亚1999-2003年燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量快速增长后，就基本处于停滞状态。

从图3、图4不难发现，世界范围内燃料电池汽车PEMFC技术领域专利优先权申请量依然是日本最高。美国在2010年以前优先权申请量一直居于第二，2010年之后被德国和韩国追赶上，甚至被较晚涉足该领域的韩国所超越。法国和中国的优先权申请量分别处于第五、第六的位置，与领先的四国还有较大差距。

图3 各国PEMFC技术专利优先权申请量占比

图4 各国PEMFC技术专利优先权申请量时间变化

分析各国的专利申请量与优先权申请量的相关关系可发现，日本、美国、韩国、德国和法国等技术领先国其专利申请量和优先权申请量高度相关，他们同时拥有广阔的燃料电池汽车市场和核心技术。中国虽然拥有较高的专利申请量，但基本都是国外研发机构在中国的专利布局，自身的专利很少。从优先权申请量与专利申请量的差距与弱相关关系看，中国在PEMFC领域的核心技术离技术领先国还有差距。

2.2 PEMFC技术空间分布及其演变

一般地，某国或某区域申请的专利数量越多，代表专利申请人越看重该市场，从而希望在该国进行更多的专利布局。从1991-2018年燃料电池PEMFC技术领域各国专利申请量变化表中，可以观察到质子交换膜燃料电池汽车在世界范围内的市场容量格局变化(见表1)。在第一阶段，世界范围内有众多国家都在该领域都进行了专利布局，这些国家主要分布在东亚、中亚、北美和西欧地区；另外澳大利亚、巴西和南非也初步进行了少量布局。从表中还可以看出，日本在第一阶段的专利布局最为深入，其次是美国和德国，这为后期的发展奠定了良好基础。在第二阶段，日本的专利申请量依然最高，数量高达3883个，占比41.84%。美国的专利申请量在该阶段排名第二，但与日本的的专利申请量相比还有很大距离。紧跟美国之后的中国、德国和韩国的专利布局差距不大，澳大利亚、法国和印度有少量专利布局。总体来看，2001-2010年各国专利申请量空间分布主要集中在东亚、中亚、北美和西欧地区。第三阶段较第二阶段的各国专利申请量空间布局变化不大，只是各国的申请量都有所提升。

表1 各国专利申请量变化

分析1991-2018年3个阶段各国专利优先权申请量变化表，在第一阶段专利优先权排名前三的国家分别是日本、美国和德国，其余国家优先权申请量可忽略不计。第二阶段发展最快的日本专利优先权申请量高达2520之多，占世界同期的78.24%。美国以346条专利优先权申请量位居世界第二，德国和韩国次之，法国、中国和英国依次位于德国和韩国之后。第三阶段的日本在燃料电池汽车PEMFC技术专利优先权申请量排名依然稳居世界第一，申请量上升至3189条，占世界74.7%。在第三阶段，专利优先权申请量空间布局较第二阶段无多大变化。需指出的是，日本、美国和法国专利优先权申请量增长速度変缓，德国和韩国保持平稳增长，而中国的专利优先权申请量增长速度加快，可以看出中国在第三阶段处于技术成长期[5](见表2)。

表2 各国专利优先权申请量变化

英国科学史家贝尔纳最早注意到科学活动的中心转移现象[6]，日本科学史家汤浅光朝从中得到启发。汤浅光朝认为，当一个国家在一定时段内的科学成果数超过全世界科学成果总数的25%时，则称该国在此时段为科学中心，该国保持为世界科学中心的时段为科学兴隆期[7]。以燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量来定义世界PEMFC技术中心，省略各时间段占比少于1%的国家，统计出各国专利申请量占比变化表。表3所示，专利申请量占比超过25%的国家只有日本，且自1991-2018年3个阶段占比都高达40%左右。排在其后的美国最高占比也只有在2011-2018年第3阶段达到16.4%。黄欣荣、王英[1]认为，技术成果百分比数能稳定地保持在25%以上的国家，可定义为“技术活动中心”(技术中心)，把技术中心的形成时间Tr与退出时间Tf之差定义为技术中心的中心周期Tc，技术中心在其中心周期Tc内的技术成果百分比数的平均值，则成为技术中心的中心强度Ic；根据中心强度参数，可将中心分为特强中心、强中心和弱中心3个等级。据此，基于表1数据，将每一阶段专利申请量占比大于等于25%的国家视为特强中心，占比10%～25%之间的国家视为强中心，5%～10%的则为弱中心。

表3 各国专利申请量占比变化表(%)

从表3可以得出结论，日本在1991-2018年内3个阶段都属于世界特强中心，其在燃料电池汽车PEMFC技术领域的影响力巨大。美国在该领域专利申请量虽然排名第二，但离日本还是有较大差距，根据其在三个阶段的占比，美国一直属于世界强中心的地位。中国、韩国、德国和欧洲则属于世界弱中心。

3 空间分布影响因素分析

3.1 氢燃料电池汽车兴起的政策因素

据世界银行称，汽车造成的空气污染导致了全球疾病负担日益增加，且超过了艾滋病毒、结核病和疟疾等疾病。机动化的公路运输导致每年超过150万人死亡，790万人的生命损失[8,9]。

机动车导致的空气污染在21世纪之后越来越强，世界各国为此制定了众多燃料电池汽车发展规划，见表4。

表4 全球燃料电池汽车产业发展规划

与此同时，中国中央政府和相关部门对氢燃料电池汽车产业不断加大支持力度，如国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》，明确提出“燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展”的战略目标。从科技、产业结构、战略等方面相继颁布了一系列政策，如《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》(T/CECA-G0015-2017)、《中国制造2025》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》《能源发展战略行动计划2014-2020》《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持的通知》等。特别是2019年《政府工作报告》提出，“继续执行新能源汽车购置优惠政策，推动充电、加氢等设施建设”，氢能源首次被写入国务院政府工作报告，越来越多的地方政府和汽车企业也不断参与进来[10]。

政策变革带动整个行业变革。传统汽车行业正经历停滞期并缓速下降，而环保汽车实现了爆发式的增长，如韩国环保型车辆的市场份额从2015年的2%增长到2018年的8.2%，燃料电池汽车从2015年的7.2%有所上升。韩国预计到2040年累计生产FCEV增加到620万辆，价格较2022年的价格降低50%[11]。在中国，根据2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图规划》，氢燃料电池汽车的规模将在2020年、2025年和2030年这3个时间节点分别达到5000辆、5万辆和100万辆[12]。

目前，中国氢燃料电池车在销量上以客车和专用车为主。相比2017年，2018年中国专用车产量(含货车、环卫车等)增长尤为明显，共为909辆，飞驰汽车、中通汽车两家企业占据国内总量的70%以上。自2018年底起，已有多家企业启动氢能源汽车的商业化工作。值得一提的是，长城控股集团氢能板块凭借国内首座氢能技术中心的落成，已经拥有了一系列世界级高端研发设备。近来东风、一汽等各车企，以及备受关注的格罗夫，开始进军燃料电池汽车市场[12]。

3.2 国内燃料电池汽车曲折发展的市场因素

2001年国家“863计划”电动汽车重大科技专项启动，发展新能源汽车的“三纵三横”战略被开创性地提出。此后，日本、美国和欧洲等都提出氢能发展的计划。在此期间，燃料电池在中国自然也受到特别关注。

然而随后几年，原本“三横”( 纯电动、混合动力和燃料电池)并行发展的风向却逐渐变化。2006年，美国对燃料电池方向的关注不断降低；2011年，奥巴马政府计划关闭两家研究机构，并将大幅削减化石燃料的研发投入。在中国，唱衰的声音也逐步增多，燃料电池的汽车发展由于人们态度摇摆不定而几近停顿，各地多将发展重点放在了纯电动汽车上。2008年，纯电动方向产业化出现发展加快的现象，而氢燃料电池仍面临着技术和商业化等难题。在经历了2008年北京奥运会与2010年上海世博会的短暂热潮后，氢燃料电池汽车发展曰渐式微。

此后，氢燃料电池汽车又暗暗积攒力量。2014年9月，上汽荣威开启了一场名为“2014年新能源汽车万里行”的活动； 2014年12月，Mirai氢燃料电池汽车被日本丰田汽车正式售卖，并于次年4月在上海车展展出，这使国内从业者意识到氢燃料电池汽车可以规模化、商业化。之后由于亿华通等氢燃料电池公司在2016年登陆新三板，氢燃料电池汽车在随后几年销量出现了较大幅度增长。2018年，氢燃料电池汽车的激励政策更是频频出台，国家能源集团等众多央企于2月参与成立“中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟”；各地政府在李克强总理于日本考察之后，迅速加快氢能产业发展的规划，并在下半年密集出台[13]。中国近年来在该领域正追赶技术领先国，其专利申请量和优先权申请量的占比在不断增加。

3.3 国内落后于技术领先国的现实因素分析

当前，国外燃料电池汽车性能研发已基本完成，整车性能已能达到传统汽车水平，成熟度也接近产业化阶段。中国燃料电池汽车经过近年来发展，与国际先进水平相比，其整车总体布置、氢气消耗量、动力性等基本性能方面已差距不大，在控制和动力系统的集成方面也有显著进步，但在关键零部件、关键材料及工艺、低温冷启动、耐久性以及整车集成等方面仍有明显差距[15]，具体见表5。另外在成本差距上，更是难以跨越的鸿沟。由于催化剂铂使用量和燃料电池系统成本均高于国际先进水平，因此国内客车动辄百万元以上的售价，Mirai乘用车售价已经低至45.7万元，补贴后合约33万元[13]。

表5 全球燃料电池汽车产业发展

燃料电池重型商用车按照电堆能源配比情况，可分为全功率型燃料电池车和混合动力式燃料电池车两种类型。国际上技术领先国如日本，在Clarity和Mirai上采用的燃料电池电堆功率均超过100kW，配合大功率动力电池组实现全功率输出；而丰田的客车和牵引车则实现了全功率燃料电池系统输出。中国燃料电池商用车的代表企业宇通及福田，受目前国内燃料电池零部件发展限制，均采用了电电混合式燃料电池系统。在一个较长时间内，中国燃料电池技术路线将以小功率堆配较大电量电池组，按照电电混合的方式进行。但随着燃料电池技术的成熟、电堆和相应系统的商业化，全功率将成为未来发展的方向[14]。

4 PEMFC技术中心未来预测

4.1 技术中心演变模型构建

这里将对专利申请量最多的6个国家地区进行未来5年技术中心预测。首先对年代进行转化，将年代的计数转化为从1开始计数。日本、美国、中国、欧洲和德国自1991到2018年，其相应的年代计数方式为1-28；由于韩国1991-1998年无专利申请量，且1991-2018年的趋势线拟合程度较低，因此将韩国趋势线设置在1999-2018年之间，其相应的年代计数方式为1-20。将横坐标设为时间t，纵坐标为专利申请量，得到6国专利申请量趋势图(见图5)。

图5 各国专利申请量趋势

根据6个国家的专利申请量分别建立散点图，对比多种预测模型，最终选择多项式趋势线进行拟合。用技术生命周期[5]来描述专利申请的不同阶段，从图5可看出,6国技术成熟期大致都在2005-2012年间，2012-2018年为技术衰退期，技术高产期在2008年前后。另外，图5显示,从2019年起，未来5年除美国和欧洲专利申请量呈不断下降趋势外，其余国家的专利申请量在未来5年都不断回升，进入技术再发展期。各国专利申请量趋势线相关程度较高，能够预测未来5年中心转移情况。

4.2 技术中心演变的未来预测

根据6个地区的函数模型，分别计算出未来在燃料电池汽车PEMFC技术领域的专利申请量，得到相关数据(见表6)。

表6 各国燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量预测

由于专利申请量不能为负数，可以将负数看作是0，由此计算出2019-2023年专利申请量总和与占比，见表7。

表7 各国2019-2023年专利申请量及占比

根据前面将技术中心划分的3个等级，结合表2的数据，预测出未来日本专利申请量与其他国家差距不断增大，仍占据世界特强中心位置。美国未来专利申请量虽然不断下降，但占比不低，约占世界的20.44%，依然属于居于强中心位置。中国在该领域的专利申请量经预测呈不断上升趋势，符合近年来国家大力支持的背景。值得指出的是，中国未来专利申请量世界占比提升一个等级，由弱中心的位置变为强中心的位置。韩国和德国未来专利申请量增长比较平稳，但世界占比有所下降，不再是世界的弱中心。

5 PEMFC技术空间分布演变对中国发展燃料电池汽车的启示

根据专利申请量和优先权申请量的空间分布分析，发现中国的技术水平距离技术领先国还有较大差距，需要加强研发投入方能追赶上。中国氢燃料电池汽车的市场容量巨大，如能形成一条完整的产业链，带来的价值极为乐观。目前，国内氢燃料电池汽车产出数量较低，且以专用车和客车为主，未来几年内，仍会在客车和专用车领域重点发展[17,18]；加氢站等基础设施也不完善。为加快中国氢燃料电池汽车产业化的发展，可采取两条对策。

(1)建立“产学研”合作模式，提高研发效率，加快市场化发展。在技术层面，研发中心要不断以降低燃料电池成本为目标，主要途径是降低PEMFC中贵金属铂的含量，其次是提高燃料电池关键材料技术，培育完整、成熟的供应链，提升国产化率。另外要提高燃料电池汽车的耐久性，加强技术提升和创新。

(2)加强公众对氢能经济与“氢安全”的认知度，加大对燃料电池技术的研究投入。国家应加大对燃料电池行业的扶持、促进企业间的强强联合；强调绿色制氢，逐渐改善能源结构。同时，政府应鼓励支持加氢站的建设，这对于燃料电池产业化的重要性不言而喻[19]。氢燃料电池汽车目前正在世界各国兴起，中国燃料电池汽车PEMFC技术专利申请量排在世界前列，处于弱中心位置。未来我国氢燃料电池汽车发展前景光明，有望成为世界的强中心。