氢能产业专利布局及发展趋势研究

王明辰

摘 要：【目的】氢能是一种绿色环保的二次能源，通过和绿色能源结合可以实现可持续的氢利用，极大地缓解全球当前的能源危机问题。通过专利分析了解氢能产业技术现状是我国发展氢能产业的重要课题。【方法】对氢气能源产业的宏观专利数据进行统计分析，由产业格局演进、主要布局国家、全球创新主体构成等多个角度重点分析研究了氢能产业相关技术的专利布局及发展趋势。【结果】中、美、日、德、韩占据核心技术和广阔市场，同时也是重要的专利来源地和布局地。我国在氢能产业有较强的实力，科研机构是氢能产业重要的创新力量之一。【结论】短期来看，我国应当优先着力氢能应用领域。但从中长期看，我国应当逐步注重氢能上游领域的建设。

关键词：氢气；新能源；专利数据；发展趋势。

中图分类号：TK91；G306                 文献标志码：A                文章编号：1003-5168（2023）06-0136-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.027

Research on Patent Layout and Development Trend of Hydrogen

Industry

WANG Mingchen

（China Patent Technology Development Corporation，Hua Zhi Shu Chuang （Beijing） Technology Development Co.， LTD，Beijing 100044，China）

Abstract： [Purposes] Hydrogen energy is a kind of green secondary energy， through the combination with green energy can achieve sustainable hydrogen utilization， greatly alleviate the current global energy crisis. It is an important subject for the development of hydrogen industry to understand the current situation of hydrogen industry technology through patent analysis. [Methods] The macro patent data of hydrogen energy industry were analyzed statistically， and the patent layout and development trend of related technologies in hydrogen energy industry were analyzed from the perspectives of industry pattern evolution， major distribution countries and global innovation bodies. [Findings] China， the United States， Japan， Germany and South Korea occupy the core technology and the vast market， and are also the important source and distribution of patents. China has a strong strength in the hydrogen energy industry， and its scientific research institutions are one of the important innovation forces in the country's hydrogen energy industry. [Conclusions] In the short term， our country should give priority to the application area of hydrogen energy. In the long term， we should focus on the upstream of hydrogen energy.

Keywords： hydrogen; new energy; patent data; development trend

0 引言

氫能源作为一种能够快速可再生和零排放的替代燃料，常被称作21世纪的“终极能源”，可广泛应用于工业、交通运输、建筑、电力等行业，氢能的开发与利用已经成为世界新一轮能源变革的主要方向之一，是未来世界各国能源技术变革的战略制高点［1］。在碳达峰、碳中和目标下，氢能的开发利用成为了节能减排和产业绿色升级转型的工作重点。氢能产业链涵盖制氢、储氢、运氢、用氢等多个节点，每个节点又有多条技术路线［2］。总体来说，美国、欧盟、日韩、澳大利亚等世界主要发达国家，已依据自身实际情况大力培育各自的氢能产业，制定了详细的发展路线图，发布了氢能相关的产业政策，明确未来的发展方向。我国政府大力支持氢能发展，将其上升至国家战略高度，各地方政府和央企也积极开展氢能产业规划和产业布局，初步建立了从基础研究、应用研究到示范应用的全氢能产业链［3］。

本研究综合分析各数据库的特点，采用国家知识产权局官方检索系统及其他相关专利数据库。以氢能产业的氢气制备、氢气运输、氢气储藏、燃料电池等重要技术作为主要检索入口，检索截止日为2022年6月30日。鉴于专利文献存在延迟公开的属性，部分申请日在检索终止日之前18个月内的发明专利申请因未公开而未被检索到，因此2021年和2022年特别是后者的数据相对有所缺失。

1 产业格局演进

氢能产业技术专利申请趋势如图1所示，可以看出，氢能产业经历了较长的发展阶段时。早在20世纪初期已有少量相关专利申请；20世纪70年代，氢能产业技术开始小规模增长；20世纪90年代，各分支申请量出现明显的增长，尤其是在燃料电池和制氢领域，这一时期的专利贡献者以发达国家为主。2014年，在多国政策的大力支撑下，氢能产业迎来了新的发展高峰。

主要国家专利申请量趋势如图2所示，可以看出，各国的氢能产业发展截然不同，申请量增长呈现出由21世纪初美国、日本等发达国家主导，至近几年中国等发展中国家逐渐赶超的趋势。在20世纪90年代增长的一波热潮中，日本和美国成为氢能发展的引领者，专利申请量也随之迅速增加。美、日、德、韩等国在2005年左右就已经达到了申请量的巅峰。中国前期发展较慢，但近些年在国家环保意识不断提高和相关政策的促进支持下，氢能产业发展将迎来新的增长点。

2 主要布局国家

主要国家和地区氢能产业整体专利来源如下：中国申请量为4.3万项，占比为31.4%（其中，台湾地区申请量为1 620项，占比为1%）；日本申请量为4.1万项，占比为30.2%；美国申请量为2.1万项，占比为15.2%；德国申请量为8 767项，占比为6.4%；韩国申请量为7 755项，占比为5.7%；英国、法国及欧专局申请量均为2 000项左右，占比6%；其他国家和地区申请量为6 735项，占比为4.9%。由此可见，在全球氢能产业专利技术来源内，中、日、美呈现“三足鼎立”之势。

主要国家和地区氢能产业整体专利布局如图3所示，在中国布局专利数量为6.6万项，占比为18.0%；日本布局专利数量为5.8万项，占比为16.0%；美国布局专利数量为4.7万项，占比为13.0%；在德国和韩国分别布局专利2.7万项和1.9万项，分别占7.6%和5.2%；其他国家占比为15.6%。

3 全球创新主体构成

排名前20的氢能产业支柱型企业见表1。可以看出，目前全球氢能产业的支柱型企业多来自日本，这也印证了日本在氢能源领域是具有一定先发优势和雄厚技术储备的。以丰田为例，丰田是世界十大汽车工业公司之一，创立于1933年。丰田的专利JP6164199B2公开了一种电源系统及燃料电池的电压控制方法，燃料电池的电压控制方法包括：在低负载状态时，切断燃料电池与负载的电连接；在将电连接的切断期间，以预先设定的条件向所述燃料电池供给氧。

国内高校在氢能领域的专利申请情况见表2。可以看出，清华大学、武汉理工大学和上海交通大学排在前三名，分别申请专利601项、592项和492项。排名前十高校申请人专利申请量差距较小，研发热点主要集中在燃料电池领域，前十高校申请人的申请量占全部高校申请量的20.8%。

其中，清华大学的主要研究方向为燃料电池和制氢，分别占其氢能领域专利申请总量的62.7%和32.6%。清华的专利US9105935B2公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，其包括以下步骤：提供一多孔模板；在该多孔模板的孔洞内形成具有电子导电性的管状载体；在所述管状载体的内壁中均匀附着多个催化剂颗粒；在所述附着有多个催化剂颗粒的管状载体内注入质子导体；提供一质子交换膜，并将该质子交换膜夹持在上述两个多孔模板间以形成一层叠结构，热压该层叠结构；去除所述经过热压的层叠结构中的多孔模板，仅留下所述被质子导体填充且管壁附着有催化剂颗粒的管状载体，该管状载体的一端与所述质子交换膜相连以使所述质子导体与所述质子交换膜相接触，从而获得所述膜电极。

科研院所在氢能领域的专利申请情况见表3。与高校不同的是科研机构呈现出“一家独大”的申请态势，其中，中国科学院大连化学物理研究所以1 263项申请排在首位，中科院长春应用化学物理研究所和中科院理化技术研究所分别以109项专利申请和106项专利申请排在第二、三名。此外，从申请人所属机构来看，中科院系申请人为该领域的主要创新主体。

其中，中国科学院大连化学物理研究所围绕国家能源发展战略，设立了我国能源领域筹建的第一个国家实验室，以及燃料电池及氢源技术国家工程中心等多个国家级科技创新平台。大连化物所的专利CN101752577B公开了一种在质子交换膜燃料电池（PEMFC）内部净化阴极反应气的方法。其方法是在阴极的制备过程中，于微孔层内将Vulcan XC-72炭黑中的一部分用高导电性石油焦质活性炭取代，由于活性炭中含有的巨大比表面积和丰富的吸附活性位，扩散层也具备了消除杂质的功能，使得电池内部吸附杂质气体的能力得到了增强。采用本发明的方法可有效地提高质子交换膜燃料电池抗毒化的能力，增强了燃料电池的环境适应性，使其在空气质量较差地区运行时的耐久性得到改善，从而推动燃料电池的发展。

4 结语

通过对氢能产业的专利数据的产业格局演进、主要布局国家、全球创新主体等多个角度的重点分析，研究了该领域的专利技术发展情况，得出如下结论。

①氢能产业主要指氢气作为能源应用形成的产业链集群，整个氢能产业链大致可以分为“上游制氢技术及装备—中游储运加氢技术及装备—下游燃料电池系统”三个环节。

②氢能在20世纪中期便开始应用在军事领域，民用领域的应用研究始于20世纪石油危机时期。目前，中、美、日、德、韩占据技术高地和商业应用优势，同时也是第一梯队的专利来源地和布局地。中国在三个技术领域均有较强的实力，美国在氢能储运和燃料电池应用领域遥遥领先；而日本和欧洲基础设施布局超前，燃料电池技术国际领先；燃料电池汽车领域主要由日、韩、德三个国家的企业主导，而中国受制于多种因素，更加重视商用车的技术研发和应用。未来3—5年，各国计划投资额基本都达到数十亿美元，到2050年左右，各国计划氢能在终端能源中的应用基本会达到10%以上。

③氢能产业创新链主要的参与主体包括企业、科研机构和人才。在综合创新活跃度指标、专利质量指标、核心专利、产业覆盖度等专利指标评价和背景调研后，筛选出各层次创新要素的重点名单。企业主体方面确定了支柱型企业、创新型企业和新进入企业名单，其中：支柱型企业国际上依旧以日本汽车集团、电子产品集团为主，如日本丰田、日产、松下、本田、东芝等。而国内科研机构孵化企业则更具优势，如依托大连化物所发展而来的新源动力、依托清华大学发展的上海神力科技等；创新型企业侧重于对区域内企业具有一定的影响力的企业，如国内的广东合即得、东方电气、山东东岳未来等；新进入企业侧重于进入行业晚但在市场竞争中具有优势和持续发展能力的企业。如鸿基创能、中氢新能源等。科研机构是我国氢能产业重要的创新力量之一，国内高等院校主要以清华大学、武汉理工大学、上海交通大学、华南理工大学、天津大学、浙江大学等为主；中科院系研究所包括在制氢方向有突出成果的中科院理化技术研究所、聚焦于燃料电池的中科院长春应用化学研究所以及在覆盖氢能各个环节的中科院大连化学物理研究所等。

④综合来看，我国是世界第一产氢大国，具有发展氢能产业的优良条件，未来具有广阔的发展空间。从短期发展规划来看，我国应当着力氢能应用领域，尤其是氢燃料电池、燃料电池车及加氢站建设。而从中长期发展规划看，我国应当注重上游的可再生能源制氢、电解槽等赛道，以及中游的液氢储运、输氢管道建设等。

参考文献：

［1］陈秋阳，陈云伟.国际氢能发展战略比较分析［J］.科学观察，2022，17（2）：1-11.

［2］姚若军，高啸天.氢能产业链及氢能发电利用技术现状及展望［J］.南方能源建设，2021，8（4）：9-15.

［3］韓笑，张兴华，闫华光，等.全球氢能产业政策现状与前景展望［J］.电力信息与通信技术，2021，19（12）：27-34.