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燃料电池发动机系统产业的专利分析

来源:《专利分析》 更新:2020-06-24 20:31:52 作者: 浏览:576次

当前全球能源和环境问题日益严重,针对能源消耗较高且环境污染较严重的汽车领域,世界各国纷纷将解决方案投向了新能源汽车领域。燃料电池发动机系统是高效、清洁的绿色能源装置,不仅能够实现在燃料上完全替代燃油,而且具有动力性能高、能量转换效率高、接近零排放、充电快、燃料来源多样且可再生等诸多优点,成为未来新能源汽车产业可持续发展的重要方向之一。

本文从燃料电池发动机系统全球专利态势、专利技术流向、申请人、技术生命周期以及技术发展路径等角度出发,对全球燃料电池发动机系统的区域分布、主要市场竞争者、技术生命周期以及技术发展情况等进行分析。截止到本报告的检索截止日(2019年4月17日),全球共申请燃料电池发动机系统相关专利37658项,其中电堆为22796项,辅助系统为14862项。

燃料电池发动机系统产业专利的国内外发展趋势分析

(一)全球申请趋势分析

图1为该领域中膜电极、双极板、氢气供给及循环系统、空气供给及增湿系统和热管理系统的全球专利申请量趋势。从中可以看出,膜电极技术分支的申请量较大,双极板的申请量次之,氢气供给及循环系统、空气供给及增湿系统和热管理系统作为燃料电池发动机的辅助系统相关技术专利申请量相当。

图1全球燃料电池发动机系统专利申请趋势图

总体来说,燃料电池发动机技术的全球专利申请经历了以下4个阶段。

1.第一阶段:起步期(1960年以前)

该阶段的专利申请非常少,从1908年后的半个世纪至1960年,平均每年的申请量低于10项,处于理论与应用基础的实验室研究阶段。

2.第二阶段:缓慢发展期(1961—1989年)

该阶段专利申请趋势缓慢增长,全球平均年申请量在100项以内,大部分专利申请来自日本,且进入该领域的申请人数量依然比较少。20世纪60年代,欧美国家军工部门开始高度重视燃料电池技术的研发,主要被应用于航天、潜艇等领域,由于燃料电池还未广泛应用于交通运输领域,因此电堆的专利数量要明显多于辅助系统的专利数量。

3.第三阶段:加速发展期(1990—2011年)

该时期分为两个阶段,即平稳发展期(1990—2000年)和快速发展期(2001—2011年)。在第一快速发展期间,全球专利申请量呈现比较平缓的增长,主要来自于日本的申请,美国、韩国等其他国家的申请量较之前没有明显的变化。而2000年以后专利申请量增长较为快速,该领域的全球专利申请量2002年突破了1000项。随着燃料电池在交通运输领域的应用,辅助系统的专利增长速度与电堆的专利增长速度相当。各大汽车厂商陆续开展了燃料电池汽车的研究,从推出和验证概念车到规模化示范运行,标志着燃料电池已快速登上交通用途的舞台。在2000年以前主要完成了燃料电池的概念设计和原理性验证,以概念性形式推出了燃料电池汽车,例如戴姆勒-克莱斯特的NECAR1/2/3系列氢燃料电池概念车、丰田的FCHV-1/2/3氢燃料电池混合动力概念车。在2000年以后汽车制造商开展了氢燃料电池汽车技术攻关研究,探索燃料电池汽车的规模性示范运行,例如2007—2009年本田公司的FCX氢燃料电池汽车在美国加州和日本开展示范运行,2003—2013年日产的氢燃料电池版X-Trial在美国加州、佛罗里达、加拿大开展示范运行。

2008—2011年期间,燃料电池发动机系统的全球专利申请量连续5年下降。一方面,燃料电池关键技术处于瓶颈阶段,比如燃料电池发动机系统中的燃气电池氢气制取、车载存储、氢气供给、驱动电机技术、电子控制技术等,成为了燃料电池推向产业化规模化的难题。另一方面,2008年金融危机使得全球经济低迷,很多国家大幅缩减燃料电池发动机系统技术的研发资金。

4.第四阶段:快速发展期(2012年至今)

2012年开始,燃料电池发动机系统的发展进入了快速发展期,电堆与辅助系统的专利申请量基本相同。随着燃料电池汽车开始在特定用途领域,如物流、运输、客运等,小规模商业化并取得成功,从而有效地推进了该领域技术的发展。同时,2015年以后乘用车开始面向部分区域的私人用户销售,初步进入商业化阶段。比如,2015年丰田公司推出Mirai氢燃料电池轿车,仅限在日本、美国和欧洲销售。燃料电池发动机系统逐步进入了产业化阶段,市场需求不断扩大,技术发展不断提高,这个阶段进入该领域的申请人也空前增加。可以预计,随着各国大力出台氢能和燃料电池汽车的支持政策,燃料电池发动机等技术领域对本身性能的不断挖掘和提升,其申请量必将保持蓬勃增长的趋势。

(二)专利技术流向分析

如图2所示,燃料电池发动机系统的专利数量最多的国家是日本,共12,320项,其次是中国和美国,分别为8,170项和4,804项,然后是韩国和德国。

图2中、美、日、韩、德的专利技术流向图

日本在燃料电池发动机系统领域的相关研究起步早,专利申请量占全球总申请量的33%,其中多为价值度较高的发明专利。结合各国家的专利流向情况来看,日本的申请中95%是由日本本国申请人提出的,其次为美国申请人在日本的申请,申请占比为3%,中国申请人在日本的申请量较少。丰田、本田等知名汽车企业分别在美国加州等地开展燃料电池车示范运行,并在美国布局较多专利,为占领美国市场打下坚实的基础。其次,日本申请人在德国的占比也较多(为12%),可见德国是日本申请人的第二目标市场国。日本本土能源短缺和电子电力技术快速发展的现状,以及政府相关政策和经济支持,使其在燃料电池发动机系统技术领域拥有较高的专利申请量,这奠定了日本在该行业的领先地位。

在燃料电池发动机系统领域,中国专利申请量排在第二位,其中约有88%的申请人来自中国,但大多数申请人仅在中国国内布局专利,较少开展海外专利布局,对外技术输出较少。近年来随着中国经济的发展,燃料电池汽车在中国越来越受到关注,日本申请人也逐渐开始扩张中国市场,申请量占比达到5%。美国、韩国和德国申请人在中国也布局了部分核心专利。

美国是燃料电池研发最早的国家,美国国家航空航天局的阿波罗登月计划采用燃料电池为太空船提供电力和饮用水。在专利申请方面,美国专利积累量为4804项,其中52%是美国申请人。美国的市场被其他国家瓜分的现象比较明显,其中日本申请人在美国专利申请量为1136项,占比为27%,另外,韩国、德国以及中国也都积极在美国市场布局相关专利。从技术输出方面来看,美国申请人比较看重德国市场,在德国的专利申请量占比16%,另外,在中国、日本以及韩国的专利布局相对较少。

韩国与中国类似,采用的是内向型布局策略,主要立足本土进行专利申请,韩国申请人专利申请总量占比为86%。在技术对外输出方面,三星、现代等重点申请人更多地是在美国进行布局,而对德国、日本和中国的关注度较低,这与美国在燃料电池汽车方面的推广应用做得最好是离不开的,因此各国除了关注本国市场外,最为关注的是美国市场。

德国研发燃料电池汽车的企业相对较少,因此专利申请总量并不突出,仅为日本申请总量的1/6左右。德国的申请人以本土企业、美国申请人、日本申请人以及韩国申请人为主。在对外技术输出上,德国申请人更关注美国市场。

(三)申请人分析

1.全球主要申请人分析

图3及表1所示,在申请人排行榜前20位中,企业申请人占19个,科研院校占1个(中国科学院大连化学物理研究所,以下简称大连物化所)。燃料电池作为目前的热点研究方向,商业前景好,众多企业投入了较多的研发力量,包括国内外知名的跨国车企,积累了较多数量的专利技术。从专利技术方面的技术数量积累来看,我们可以发现中国企业相对落后,国外企业主要是来自日本、美国、德国和韩国。加拿大也有专利技术累积比较多的企业,例如巴拉德等。

全球燃料电池发动机系统重要专利申请人主要分布在日本,专利申请量排名前20的申请人中日本申请人占有10席。日本企业(丰田、日产、本田等)在燃料电池发动机系统领域具有较明显的集体优势,也涵盖了松下、三菱、日立等电器公司和东芝、东丽、旭硝子等上游企业。丰田作为全球领先的汽车生产制造集团,于1996年就成功研发出了第一辆质子交换膜燃料电池汽车,2014年底丰田开始量产世界首款量产型燃料电池车Mirai,氢燃料电池乘用车进入市场。

图3全球申请人排行榜

全球排名前20的申请人中,现代作为韩国企业排在了第4位,在全球范围内专利申请集中在辅助系统尤其是空气供给及增湿系统。现代汽车2010年推出了第三代燃料电池电动汽车,即“Tucsonix”FCEV,并于2018年推出了第四代氢燃料电池车NEXO,其动力电池续航约200km,氢燃料电池续航约600km。除了汽车整车制造厂现代,在榜的韩国企业还包括三星和LG。三星作为综合性的消费型电子产品集团,其对燃料电池的研究主要是将燃料电池应用于手机、电脑、家用电器等电子产品中,因此三星在该领域的专利布局主要集中在膜电极方面。

美国在燃料电池发动机系统这一技术领域全球排名前20的申请人排名中仅占据1个席位,即通用汽车,其专利申请量与松下、本田相差不大。通用汽车在燃料电池发动机系统领域的研究较早,在1990年即开始研发质子交换膜燃料电池在汽车方面的应用。2017年通用汽车推出了首个具有自主功能的灵活燃料电池平台——SURUS,该平台配有通用汽车最新的Hydrotec燃料电池自主系统和卡车底盘组件,可以提供645km航程能力。

表1主要申请人信息

德国申请人中位居全球排名前20的是戴姆勒和西门子,两者在双极板的专利布局相对较少。1994年,戴姆勒开发出世界上第一台燃料电池汽车。1997年,戴姆勒集团成立了NuCellSysGmbH着眼于车用氢燃料电池动力系统,还有基础建设的相关开发与研究。

在燃料电池发动机系统领域全球排名前20中共有3个中国申请人,分别是大连物化所、上海神力以及新源动力,大连物化所自上世纪六十年代开始就进入燃料电池技术领域开展研发工作,先后研制出百瓦、千瓦、5kW至50kW的燃料电池组,30kW至150kW的燃料电池发动机系统,专利布局主要集中在膜电极。2001年,由大连物化所等单位发起设立了新源动力,主要从事质子交换膜燃料电池及组件的研制生产。2007年,由新源动力提供燃料电池发动机的首辆“PASSAT-领驭燃料电池轿车”研制成功。

如图4所示,在缓慢发展期,日本的日立、东芝和富士是排在前三位的;而在发展期,这些企业地位发生了变化,发展期的前三名变为丰田、日产和本田;在快速发展期,丰田依然保持着领先位置,而韩国企业现代升为第二名,日产则排在第三名。总体而言,日本、韩国、美国、德国的申请人以整车制造厂商为主,相关专利申请量也较高。而中国则以研究机构为主,市场化程度要低于其他国家。因此,中国的燃料电池企业应当重点研究竞争对手在燃料电池方面掌握的主要技术方向,挖掘空白技术点,积累自身核心技术的同时,在空白区域形成兼顾的技术壁垒。

图4 全球申请人各个时期排名变化图

2.中国主要申请人分析

如图5所示,中国燃料电池发动机系统专利申请量排名前20的专利申请人(包括国内和国外申请人)。丰田以648项专利申请量排在第一位,其次是通用,专利申请量为630项。由此可见通用汽车及丰田非常看重中国市场,提前进行了专利布局。另外,国外申请人现代、三星、日产、松下、本田、东丽、3M以及旭硝子都在中国申请了较多专利。

中国申请人排在前20的共有10位,占比达到一半。专利申请量最为突出的是大连化物所,为417项。其次是上海神力和新能源动力,专利申请量分别为257项和249项。剩下的除了成都新柯力为企业外,其他6位申请人都为高校。由此可见,中国在该领域的创新力量很大一部分来自高校和科研院所,中国企业的创新主体地位有待提高。中国高校和科研院所通过承担多项燃料电池相关国家重大课题,形成了较好的技术积累和人才储备。其中,上海神力在科技部、上海市政府重点培育与支持下,承担了国家“九五”重点攻关计划、“十五”863及“十一五”863重大攻关计划燃料电池发动机课题,2017年华南理工大学在科技部的支持下,以牵头单位承担了“高性能长寿命燃料电池发动机系统的开发研制”国家重点研发项目。

图5中国燃料电池发动机系统专利申请量排名图

如图6所示,进入中国前20名的企业或科研院校中,授权专利仍维持有效的占比与国外企业相比,有明显的差距,这充分反映中国燃料电池专利虽然在总量上追赶国外,有了较大的增长,但同时也放弃了很多权利,造成一部分专利成为公知技术而丧失权利,该数据亦反映中国的专利质量和价值相对较低。

图6中国燃料电池发动机系统专利有效性情况

(四)技术生命周期分析

图7是燃料电池发动机系统技术生命周期图(上图:全球,下图:中国)。由图7可以看出,1908—1988年全球燃料电池发动机系统处于一个导入期。在这个阶段,专利数量较少,大多是原理性的基础专利,由于当时市场还不明确,研发风险较大,只有少数几个企业参与技术研发与市场开发。且当时燃料电池被应用于航天、潜艇等领域,技术主要用于军事领域,价格昂贵,效率不高,因此并未在民用市场获得认可。而中国在1995年以前处于一个导入期,在这个阶段,专利数量较少,申请人也较少。此时在中国申请的专利主要是国外申请人,例如日立、通用汽车等企业,在中国的布局。国内申请人还未在该领域开展研究或者开展的研究成果并未以专利的形式进行保护。

图7燃料电池发动机系统技术生命周期图

从1989年开始,全球燃料电池发动机系统进入了第一次成长期,随着燃料电池在汽车中的应用而受到普遍关注,各大汽车厂商开始布局该领域的专利。丰田、戴姆勒等公司经过导入期的技术积累,已经开始进入技术攻关研究,开始探索燃料电池汽车示范运行。一直到2007年,在第一次成长期内燃料电池发动机系统呈现了较为快速的发展。而中国在1995年以后才进入该领域的成长期,相对全球而言晚了6年,在此期间,专利数量不断增加,新的申请人也不断涌现。此时其他国家申请人对中国市场的关注度开始提升,专利布局持续增加,国内申请人也开始申请该领域的专利,例如1996年中科院化学研究所申请了离子交换膜相关专利。

在2008—2011年,燃料电池发动机系统由于受到金融危机的影响,出现了比较短暂的技术衰退期,此时专利申请量减少,申请人数量也随之减少。由于全球经济大环境不景气,该领域的技术投入也大幅下降。

而从2012年至今,全球燃料电池发动机系统进入了第二次成长期,这次增速要快于第一次成长期,在近5年时间内,专利申请量出现了快速增长,申请人也不断激增。总体来看,全球燃料电池发动机系统正处于成长期,可以预期未来燃料电池汽车的新技术将不断发展,市场将越来越大,竞争将更加激烈。

结论与建议

(一)结论

1.燃料电池发动机正处于民用推广并进入商业化阶段应用的高速发展时期,美日韩研究和应用成果最为突出,中国起步较晚,与其他国家有一定技术差距。

2.燃料电池发动机专利申请地主要集中在日本,其次依次为中国、美国、韩国和德国,日本在主要国家均有专利布局,美国是各个国家的重点专利布局对象,而中国在海外专利布局较少,且中国申请人在中国本土的表现尚缺明显优势。

3.膜电极技术是电堆领域的研发重点,双极板方向日渐成为研发热点;Pt-M合金催化剂和非Pt金属催化剂、部分氟化聚合物质子交换膜和非氟聚合物质子交换膜是未来几年的研究热点。目前,美国、日本和韩国已经完成膜电极方向的阶段性专利布局,而中国在膜电极方向的专利申请仍处于上升阶段。

4.燃料电池发动机产业创新主体以企业为主,境外企业已掌握核心技术,完成大量全球专利储备,合作情况占比较高;中国专利申请人中,科研院校表现相对突出,整体缺乏海外专利布局意识,合作情况占比较低。

(二)建议

1.加快国内外专利布局,防止竞争对手形成垄断态势

目前,国内项目研发成员大部分仅在中国国内布局专利,海外专利布局数量较少,且国内申请人在中国本土的优势并不明显,在国内专利申请数量排名上,国内申请人只有大连化物所挤进前5位,其他主要板块均被国外申请人占据。因此,必须在加大国内专利布局的同时,提高海外专利布局意识,加快着手燃料电池发动机系统的海内外专利布局,防范竞争对手垄断态势的形成。

此外,鉴于国内外已有大量的竞争对手,尤其部分专利与国内研发项目拟采用技术方案高度相关,因此为了避免侵权事件发生,在研发过程中,应将专利检索、跟踪、分析贯穿始终,包括在确定技术研发子方向阶段,开展专利信息检索和专利导航工作,利用专利检索分析获取技术发展趋势,确定研究方向;立题阶段,通过专利情报分析,明确研究技术路线;实施阶段,根据跟踪的专利信息情况,适时调整研究方向和技术路线,确定技术布局热点和空白点,为专利布局提供参考;结题阶段,对于未来有产业化运用前景的知识产权成果进行合理安排,最大价值地利用已经形成的知识产权成果;产品上市阶段,对既有专利权进行充分的侵权检索,防止侵权纠纷带来的成本损失和赔偿。

2.提高专利权维持年限,充分发挥既有权限效能

境外申请人90%以上的在华专利仍维持有效,而境内申请人的专利失效情况极为严重,专利失效占比高达46%~59%,因此必须提高专利权维持意识,定期对既有专利权进行分析比对,结合市场及竞争对手专利布局情况筛选高价值专利有效维持,同时剔除维护成本较高但价值较低的专利。

此外,可以考虑将部分专利通过专利权转让、专利许可等方式转让给企业,降低维护成本的同时提高专利权收益。必要时,项目承担单位应当建立对应的成果转移转化中心或与已有的成果转移转化中心对接,项目执行过程中对研发成果进行评估,根据不同的知识产权成果,通过转移转化中心进行有效转化。转移转化形式包括专利质押融资、专利转让、专利许可、专利实施等。

3.分析专利布局重点和研究热点,把握方向实现短期快速提升

Pt-M合金催化剂、非氟聚合物质子交换膜和金属双极板技术为未来几年内燃料电池电堆技术领域的重点专利布局对象和研发热点,应对上述技术领域进行重点专利分析和动态跟踪,明确竞争对手的专利布局策略和研发趋势,从而确定研发方向。此外,可以借鉴研发热点中的重点技术方案,在已有方案的技术上进行改进型研究,从而在短期内实现质或量的提升,降低时间和人力成本。

4.加强产学研合作,加速技术产业化进程

国内各研发团队之间联合申请专利数量较少,且项目成员与企业或科研院校的合作申请也较少,以自主研发为主,这不利于充分发挥各自优势和节约成本,实现技术短期内的快速提升。因此,国内各研发团队应参照国外燃料电池车企巨头,如丰田、现代、巴拉德等公司的研发合作模式,在加强相互之间专利合作申请的同时,加强与企业之间的研发合作,既依托科研院校强大的理论基础研究力量,又发挥企业对市场的敏感度和方向把控优势,从而更好地利用技术成果,提高技术产业化几率,并形成有效的产业链专利保护。

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