报告简介

新能源（燃料电池）产业专利导航系列研究报告是基于深圳市标准技术研究院、广州恒成智道信息科技有限公司共同开展的新能源（燃料电池）产业专利导航项目研究成果，围绕新能源燃料电池产业发展概况、深圳市区域特色开展专利导航研究等主题内容，系统梳理了制约深圳市新能源燃料电池产业发展的瓶颈问题和关键技术，为深圳市新能源燃料电池产业发展路径提供导航建议。深圳市氢能与燃料电池协会作为新能源（燃料电池）产业专利导航项目成果信息的重点应用实施单位，将在本平台进行该专题的系列推送，欢迎关注。

第5期 产业专利布局篇

燃料电池是一种通过电化学反应将氢气或其它种类燃料的化学能量转化为电能的电化学电池装置，具有能量密度高、噪音低、无污染等特点，其发展历史悠久，应用前景广阔。本文将从产业发展和专利发展两个角度对新能源燃料电池相关技术的总体发展情况进行归纳，使大家对燃料电池技术的发展有一个总体的把握。

PART01 燃料电池产业发展历程

燃料电池技术发展至今已有200多年历史，早在1801年英国皇家学会的Humphry Davy就已展示了燃料电池的原理。1955年，通用电气公司发明了质子交换膜燃料电池（PEMFC）。2009年，质子交换膜燃料电池热电联供系统开始在日本上市销售。2015年，丰田推出了第一款量产质子交换膜燃料电池汽车“Mirai”，标志着质子交换膜燃料电池产业进入“产业化元年”。

我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的研究。70年代在航天事业的推动下，我国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，我国进入了燃料电池研究的第二个高潮。此后，我国燃料电池研究一直处于稳步发展阶段。

燃料电池的种类很多，按电解质的类型可分为碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等5大类。碱性燃料电池(AFC)是最早开发也是发展最成熟的燃料电池技术，其在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。固体氧化物燃料电池（SOFC）最早由Nernst在1899年提出，但由于受技术复杂性、材料加工手段的限制，发展缓慢。直到 20世纪六七十年代由于航天业的需求以及80年代以后，为了开辟新能源，缓解石油紧缺带来的能源危机，固体氧化物燃料电池才得到了蓬勃发展。目前，世界许多国家纷纷瞄准了21世纪新能源的市场，都在引进或联合开发SOFC。磷酸燃料电池(PAFC)是当前商业化发展得最快的燃料电池，美国国际燃料电池公司( IFC) 与日本东芝公司联合组建的 ONSI 公司在PAFC 技术上处于世界领先地位。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）在50年代初由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视，其目前已初步进入了商品化阶段,目前在众多发达国家均有推行使用,有望成为未来大型发电的主力之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的发展历程可以追溯到20世纪60年代，随着技术的不断进步，PEMFC的性能得到了大幅提升，加拿大Ballard公司在这一技术上处于全球领先地位。

PART02 燃料电池产业专利发展趋势

2.1 专利技术生命周期分析：现创新产出整体趋于稳定

如图1所示，1960-1971年内，新能源燃料电池产业处于萌芽期，创新主体不超过400个，年专利申请量低于3000件；1972-1987年本产业专利年申请量激增至近6万件，由于燃料电池的技术门槛较高，因此即使该时期内年专利申请量增长了二十倍，专利申请人却仅翻了一倍。在经历15年的高速成长期之后，新能源燃料电池产业的专利申请进入回落阶段，1994年后再次进入高速成长期，这一时期与上一个高速成长期不同，创新主体数量快速上升（2005年相对于1994年，当年发生本产业专利产出的创新主体增长超过7倍，达到了14221个），而专利申请数量增长相对缓慢，增长率仅60.51%，说明越来越多的创新主体将创新资源投入本领域。虽然技术持续进步，但是整体创新产出仍较为有限，未诞生可大规模民用推广的技术，成本仍然是制约本产业发展的主要障碍。2011年后，本产业首次出现创新主体数量下滑的情况，于2013-2020年进入稳定阶段，基本保持在6500个左右，说明现阶段随着产业资源不断整合，全球产业创新主体规模基本趋于稳定，年专利申请超过3万件，创新产出整体放缓。

图 1 新能源燃料电池产业专利技术生命周期图

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2.2 氢能技术专利申请态势分析：制氢技术热度最高、输氢技术规模最小

如图2、图3所示，当前氢能技术主要包含制氢、储氢、运氢和加氢，属于燃料电池的上游供应端，由于氢气是重要且基础的化工原料，因此氢气制储技术的研究起步较早，20世纪早期便已出现一定的专利申请规模，并且一直保持着相当的热度。随着全球环境和能源危机问题的日益加剧，氢气作为新能源被提上日程，氢能源的理念随之被大众广泛接受，因此带动了氢气制储技术研究的热潮。氢能技术以制氢研究热度最高，专利申请增长速度最快；储氢、输氢和加氢技术则相对起步较晚，20世纪90年代后期才正式进入高速发展期，制氢、储氢、加氢三个技术分支的专利申请峰值均出现在2021年，输氢技术分支的专利申请峰值出现在2022年。由于该四个技术分支均为新能源燃料电池产业和影响石化体系能源结构的卡脖子环节，因此受到了业内的广泛关注，另外由于输氢等技术研究门槛较高，相关专利规模仍然较小。

图 2 氢能技术专利申请趋势

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图 3 氢能技术发明专利申请趋势

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2.3 燃料电池技术专利申请态势分析：总体处于增长趋势

燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。燃料电池相关专利在20世纪50年代后才形成一定规模，60年代燃料电池首次应用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，标志着燃料电池由实验室阶段开始转入军用阶段。如图 4、图 5所示，当前六大类燃料电池中，质子交换膜燃料电池的专利申请规模远大于其他类型燃料电池，作为第五代燃料电池，质子交换膜燃料电池在1996年后进入快速增长期，于2007年达到了第一个峰值，随后回落并于2015年再次进入加速期，2020年达到第二个峰值，专利申请量为12884件，值得关注的是发明专利的第二个峰值低于第一个峰值，说明现阶段质子交换膜燃料电池进入实用化阶段。其次是固体氧化物燃料电池，其在固定式发电领域显示出了独特的优势，也吸引了不少行业人士的青睐。直接甲醇燃料电池起步较晚，2007年达到峰值后由于氢能源的崛起而大幅下滑，近年由于直接甲醇燃料电池在燃料储运方面相对容易，因此也得到了一定范围的应用。熔融碳酸盐燃料电池、磷酸型燃料电池和碱性燃料电池均为前三代燃料电池，专利申请起步较早，多于上世纪便达到专利申请高位，近年总体呈现下降趋势，该态势说明现阶段本领域的研发资源主要向质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池倾斜。

图 4 燃料电池技术专利申请趋势

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图 5 燃料电池技术发明专利申请趋势

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新能源（燃料电池）产业专利导航项目简介

深圳氢能产业已初步形成较为完善的产业链，从上游的氢气制备、储运、加注、加氢站基础设施建设和运营，到中游燃料电池核心材料、电堆、系统及关键零部，以及下游终端交通、储能、发电、船舶、无人机等新型应用，都有全国行业领先的企业在布局开拓，并形成了以深圳为研发、技术突破高地，辐射广东省乃至全国市场的发展格局。

在此背景下，深圳市标准技术研究院联合广州恒成智道信息科技有限公司开展了新能源（燃料电池）产业专利导航项目，围绕深圳市新能源燃料电池产业发展概况及区域特色开展专利导航研究，以专利信息资源利用和专利分析为基础，从产业专利布局、产业竞争格局、产业结构调整方向、技术研发重点及热点方向等，把握产业链中关键领域的核心专利分布，以全球视野明晰产业竞争格局，梳理制约深圳市新能源燃料电池产业发展的瓶颈问题和关键技术，进而紧扣产业创新发展需求，提出深圳市新能源燃料电池产业发展路径导航建议，指导市场主体根据分析结果调整市场布局、产品经营策略，实现围绕关键核心技术攻关的有效专利布局。

以上为新能源（燃料电池）专利导航系列第5期全部内容，此专题系列将陆续发布，欢迎关注。如对文章内容有疑问或建议，欢迎与协会秘书处联系。

文章及数据来源：深圳市标准技术研究院