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基于专利数据的氢燃料电池电堆技术发展态势分析

王春博 ,  郭亚勤 ,  奥杰 ,  杜伟 ,  蔡睿 ,  邵志刚 ,  姚婷婷

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 6 -14.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 6-14. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.002
专论与评述

基于专利数据的氢燃料电池电堆技术发展态势分析

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Analysis on development trend of hydrogen fuel cell stack technology based on patent data

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摘要

电堆是氢燃料电池的核心部分。围绕氢燃料电池电堆技术最新专利情况,从专利申请公开、技术来源地、重点研发方向等方面整体分析了电池电堆全球技术发展态势,进一步对电池电堆的核心部件——膜电极技术的最新进展进行研究。分析结果表明,我国是氢燃料电池电堆领域专利的主要创新策源地和目标市场国家;在膜电极、双极板相关技术领域处于领先地位,但在制造工艺、电堆设计和制造与国际水平还有差距;当前膜电极技术分支下低成本、高性能的催化剂技术是备受关注的研发方向。基于此,提出氢燃料电池电堆领域技术创新与专利布局建议。

Abstract

The stack is the core part of hydrogen fuel cell.This article focuses on the latest patents for hydrogen fuel cell stack technology,and analyzes comprehensively the global cell stack technology development trend from the aspects of patent application disclosure,technology source,and key research and development directions.It further analyzes the latest progress on the technologies for membrane electrode,the core component of cell stack.The analysis results show that China is the main innovation source and target market country for patents in the field of hydrogen fuel cell stacks.China occupies a leading position in the technical fields of membrane electrodes and bipolar plates,but falls behind the international advanced level in the manufacturing process,as well as the design and manufacturing of hydrogen fuel cell stacks.The low-cost high-performance catalyst technology under the current membrane electrode technology branch is a highlight research and development direction that has attracted much attention.Based on this,suggestions are given on technological innovation and patent layout in the field of cell stacks.

Graphical abstract

关键词

专利分析 / 发展态势 / 氢燃料电池电堆

Key words

patent analysis / development trend / hydrogen fuel cell stack

Author summay

王春博(1995-),女,硕士,工程师,研究方向为知识产权与创新管理.

引用本文

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王春博,郭亚勤,奥杰,杜伟,蔡睿,邵志刚,姚婷婷. 基于专利数据的氢燃料电池电堆技术发展态势分析[J]. , 2025, 45(10): 6-14 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.002

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党的二十大报告指出,要积极稳妥推进碳达峰碳中和,深入推进能源革命,加快规划建设新型能源体系,确保能源安全。2024年政府工作报告首次提出“加快氢能产业发展”。在全球能源结构发生深刻变革背景下,我国调整能源结构,加快产业转型升级,绿色低碳产业加速发展,氢能、储能已经成为整个能源系统的重要部分,是多能融合技术体系的关键平台[1]。当前,氢能产业前沿技术不断发展,氢能全产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢以及用氢等环节[2],美国、欧盟、日本和韩国已将氢能发展提升至国家/地区战略层面,由政策引导、大型企业引领建立了较成熟的氢能相关产业链,在制氢、储运加氢和用氢方面积累了先进的核心技术[3]。中国氢能“制储输用”全产业链已趋于完善,从供给端来看,中国是世界最大氢气生产国,氢源以煤炭为主,碳排放高,目前氢气产能约为4 000万t/a,产量约为 3 300万t/a[4],随着双碳战略的深入推进,我国正稳步推进绿氢的规模化应用。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035)》提出,2025年,燃料电池车辆保有量达到5万辆,自燃料电池的迅猛发展打开市场需求之后,中国企业围绕氢能源动力车制造,展开此领域的战略布局,在此消费端持续拓展,2024年中国石化首次发布的氢能展望报告显示,2060年我国氢能消费规模预计将接近8 600万t,产业规模4.6万亿元[5]。燃料电池技术是氢能应用重要的能量消费终端,虽然燃料电池在移动动力源、分散型电站和微型电源方面有了很多商业化应用,但是由于关键材料与部件成本等若干关键技术问题还未妥善解决,导致其商业化推广进程有所延缓。氢燃料电池技术的“心脏”在于电池电堆,电池电堆主要包括膜电极、双极板构成的各电池单元以及密封件等。膜电极是电池电堆的核心,而其至关重要的“驱动力”就在于催化剂。
从技术角度来看,电池电堆的综合性能与国产化对我国氢燃料电池技术的核心竞争力及其产业化前景有重要影响,是财政部等五部门联合印发的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》(财建〔2020〕394号)中提到的重点支持技术攻关的八大核心部件之一。2024年,我国燃料电池汽车产销量均突破5 000辆,但同比分别下降了10.4%和12.6%[6],整体未达到市场预期,当前燃料电池汽车的规模化发展仍面临挑战。
已有基于专利数据的相关研究集中于采用聚类等方法探测氢燃料电池层面的技术发展方向、新兴技术主题、技术竞争态势等[7-11],对于氢燃料电池整体技术含量最高的部分——电池电堆——进行的针对性专利分析有限。基于此,本文通过全球电池电堆技术的最新专利数据,分析电池电堆技术发展态势、重点研发方向、新晋创新主体等,为相关技术布局提供一定的参考信息,助力关键核心技术的研发,支撑我国氢燃料电池技术的快速发展和商业化应用。

1 技术分解与数据来源

氢燃料电池电堆的技术分解立足于技术研发与产业应用,结合中国科学院大连化学物理研究所技术专家与氢能产业发展促进协会等单位意见,本文将氢燃料电池电堆分解为5个二级技术、15个三级技术、10个四级技术,如图1所示。
本研究分析对象为全球氢燃料电池电堆领域的专利,分析与处理的数据来源于incoPat全球专利数据库和科㞳全球专利信息检索分析公共服务平台。incoPat全球专利数据库目前收录了全球170个国家、组织或地区,超过1.8亿件的专利文献,其数据采购自官方和商业数据提供商,并且对专利著录信息、法律、运营、同族、引证等信息进行了深度加工及整合;科㞳全球专利信息检索分析平台数据来源于国家知识产权局,迄今为止收录了全球超过1.9亿的专利数据,是由中国科学院大连化学物理研究所开发的集专利检索、领域专题库、获奖专利展示于一体的综合性公共服务平台。
为确保专利分析结果的有效性,在检索过程中对检索的查全率和查准率进行了评估。同时,验证与去噪过程交替进行,直至查准率达到75.00%以上、查全率达到80.00%以上,得到较为准确的专利20 285项(公开公告日截至2024年6月30日)。由于发明专利自申请日起18个月(有优先权的自优先权日起,主动要求提前公开的除外)才被公布,实用新型专利在授权后才获得公布,而PCT专利申请可能自申请日起30个月甚至更长时间才进入具体国家,因此在实际数据中会出现2023年之后的专利申请量比实际申请量少的情况。

2 电池电堆全球专利分析

目前,燃料电池仍面临着成本较高与耐久性较差等问题,掣肘氢燃料电池的大规模商业化应用。电堆是燃料电池系统的核心部件,占整个氢燃料电池成本的一半左右,是燃料电池汽车成本下降、与传统汽车竞争的关键因素。从专利角度分析全球电堆相关技术发展整体态势,探索制约燃料电池发展问题的解决路径。

2.1 专利申请公开趋势

从图2可以看出,自1958年开始有专利申请,全球电池电堆技术经历了较长的发展期,其申请趋势大致可以分为以下4个阶段。
1958—2000年是缓慢发展阶段。此时,全球电池电堆技术基本每年保持两位数的专利申请,相关技术研发处于萌芽时期,增长缓慢,直至2000年专利申请量突破200项。
2001—2006年进入快速增长阶段。2001年以后能明显看出全球电池电堆技术快速发展,平均每年申请突破600项。
2007—2015年是波动下降阶段。此阶段电池电堆技术创新活力减弱,专利公开量的趋势与其一致,可能的原因在于相关技术研发进入瓶颈期,无法进一步降低成本等方面的问题导致市场驱动力有限。
2016年至今进入急速增长阶段。由图2明显看出近年来全球电池电堆专利数量急剧增长,2023年公开量超过2 000项。自2016年《巴黎协定》签署以来,各缔约方在能源、化工等领域采取相应措施,积极应对气候变化。我国此后对能源利用提出了更高要求,“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革已是大势所趋[12],总体来看,各缔约方出台的相应战略、举措等,一定程度上促进了专利数量的激增,当前,全球电池电堆技术创新仍处于持续活跃期。

2.2 技术来源地分析

全球电池电堆技术研发热度都较高,从图3可以看出,专利申请主要来源于中国(8 587项),日本以5 458项专利位居全球第二位,美国以2 314项位居全球第三。韩国、德国等专利申请量均小于2 000项。相对来看,中国、日本、美国、韩国、德国在电池电堆领域研发的优势地位明显,尤其中国在技术研发与积累方面的表现“势如破竹”,相关创新主体不断涌现,依托产学研合作,部分企业如北京亿华通科技股份有限公司、新源动力股份有限公司等在电堆性能和寿命等方面均有大量专利申请与布局,贡献显著。

2.3 目标市场分析

由表1可以看出,上世纪六十年代,全球电池电堆专利技术主要的布局市场为德国、美国;到了八十年代,市场逐步转向日本,直至2000年左右,日本电池电堆技术专利布局占比开始减少;近年来中国成为“炙手可热”的布局市场,我国氢燃料电池汽车已经进入商业化导入期。
图4展示了电池电堆技术专利主要的目标市场,从市场布局总量来看,美国排名第三,专利公开量总计突破2 000项。美国加州是燃料电池乘用车的最大单一市场[13],虽然近几年增速放缓,但在电堆相关材料制造等方面持续发展。

2.4 新晋创新主体

新晋创新主体是指近五年申请的专利获得授权排名Top10的创新主体。
由图5可以看出新晋创新主体主要来自中国,除中国科学院大连化学物理研究所一家科研院所外,其余主要为大型车企以及能源类企业,仅有一家日本的本田技研工业株式会社排名第九。
排名第十的国创氢能科技有限公司在燃料电池电堆领域不断创新,突破了大功率的钛材极板开发关键核心技术,聚焦高功率密度金属极板设计、金属板涂层材料与工艺开发、高性能膜电极设计开发、电堆可靠性设计等方面的技术研究,功率达到275 kW以上,实现钛材和不锈钢的共型设计与生产,获得国家能源局首台套燃料电池电堆产品的认定(国家能源局公告2025年第1号,索引号:000019705/2025-00003)[14],解决了市场痛点,补足了产业短板,形成了系列化的大功率电堆产品,如图6所示,基于多项授权发明专利、实用新型专利等,其燃料电池电堆技术向高效率、低成本、可靠稳定的方向不断升级。
国创氢能科技有限公司建成了从极板卷料开卷、裁切、冲压一直到密封的全链条智能化极板批量产线,实现了核心技术与工艺的完全自主可控,在设计、工艺、测试及生产各个环节布局了专利,推动成果转化应用。在具体应用方面,其大功率燃料电池电堆,目前成功应用于公交、环卫、重卡、机车和储能等多个场景,其中与中车大连机车车辆有限公司合作2 000 kW机车,完成国内燃料电池混合动力调车车型首发,配套了400 kW燃料电池模块,推动轨道交通绿色发展,形成在氢能机车应用方面的核心技术和专利,提升产业自主创新能力。
总的来看,国内新晋创新主体在燃料电池电堆领域的研发水平持续上升,产学研合作向深度拓展,国产化规模化发展提速。

2.5 重点研发方向

进一步分析电池电堆技术专利来源地Top5国家具体的技术研发方向,得到表2。从专利数量来看,技术研发集中于膜电极、制造工艺,密封相关技术专利申请最少;中国在5个技术分支均有专利布局且保持一定的优势,在膜电极、双极板相关技术领域处于领先地位,技术也达到国际水平,但在制造工艺、电堆设计与制造领域相较国际水平还有差距,尤其是电堆内各单电池的一致性等方面技术。

3 膜电极专利分析

膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是电池电堆的核心部件,对电堆的性能、寿命和成本有着决定性的影响。膜电极由质子交换膜、催化剂、气体扩散层等组件构成。

3.1 专利申请态势

图7选取了膜电极专利技术进行深入剖析,发现全球膜电极专利量达到7 915项。从申请趋势来看,自上世纪五十年代开始有相关专利,膜电极相关技术发展平稳,在2000年后申请量陡然上升,经过小幅下降波动后,当前整体呈高速增长的态势。膜电极技术在2000年左右进入技术“更新换代”期,由气体扩散型膜电极(GDE)进入催化剂涂覆膜(CCM)技术阶段[15],相关技术专利积极布局,形成明显攀升趋势;2008年至2012年,膜电极专利申请下降,可能的原因在于CCM技术逐渐成为膜电极制备领域的主流,技术研发进入瓶颈期,缺乏推动技术增长的“新动力”,一定程度上形成明显下降的趋势。
由表3可以看出,德国、美国等较早在膜电极领域开展技术研发;日本在上世纪八九十年代进入这一领域,并保持较大的申请优势;“十二五”“十三五”期间,中国膜电极技术专利申请占比超过45.00%,并持续保持领先地位。当前,我国在燃料电池膜电极技术领域达到国际水平。

3.2 主要研发主体

为进一步探索膜电极技术的“第一创新来源”,选取专利第一申请人进行分析(表4),从专利申请数量来看,日本企业在膜电极技术领域具有一定的领先地位,膜电极专利第一申请人Top10中日本企业占据五位,除丰田自动车株式会社和日产自动车株式会社等大型车企外,日本凸版印刷株式会社、大日本印刷株式会社分别排名第四、第五位。
其中日本凸版印刷株式会社主营通信、安全、包装、装饰材料等业务,较早开始布局膜电极相关专利,尤其是不含铂的燃料电池催化剂方向持续研发,以期不断降低成本,实现燃料电池车的大规模商业化应用。
近期,日本凸版印刷株式会社技术研发聚焦于膜电极催化剂层、膜电极接合体等方面的技术(涉及CN113508478B、JP2023126365A、JP7334843B2、JP7326816B2、JP7314785B2、JP7315079B2、JP7293832B2等专利),在位于日本高知县的高知工厂安装了催化剂涂覆膜(CCM)/膜电极组件(MEA)的新生产设备,以期实现高性能、高质量的催化剂涂覆膜(CCM)/膜电极组件(MEA)的大规模生产[16]。催化剂涂覆膜(CCM)/膜电极组件(MEA)贯穿整个氢能产业链,除了是燃料电池的关键组件之外,还大量应用于水电解制氢、储氢和运氢等装置设备。随着未来业务的增长,日本凸版印刷株式会社预计将逐步扩大和升级设备,从而推动氢能社会愿景的实现。
国内主要研发主体包括科研院所和高校,排名第九位的武汉理工大学,在膜电极技术领域研发较早,致力于CCM型膜电极制备等燃料电池相关技术研发与转化,并于2006年成立武汉理工新能源有限公司(现更名为武汉理氢科技有限公司),经过20余年的发展,武汉理工大学当前在膜电极技术领域积累了大量专利,并持续推动成果的大规模产业化。

3.3 专利维持时间

维持时间是指有效专利自申请日至今的时间跨度,维持时间较长的专利一定程度上是技术水平与经济价值较高的专利。全球膜电极技术有效专利维持时间如图8所示,有效专利大多维持在1—5年、6—10年,均超过2 400件。总体来看,膜电极技术领域水平较高,维持11年及以上的专利合计达到了1 934件,膜电极相关专利离市场端较近,转化运用较多,创新主体基于经济价值等方面的考量,更倾向于维持专利技术。

3.4 技术构成与比较优势

由图9可以看出,全球膜电极技术主要创新领域聚焦在催化剂,占比达到了67.00%;其次为质子交换膜技术,其中全氟磺酸型膜技术占比超过六成。气体扩散层相关技术专利申请达到了1 315项。
全球膜电极催化剂相关技术专利申请近5 000项(图10),一定程度上反映了当前膜电极技术研发的热点,目前负载型催化剂还是占比最大,负载型催化剂主要由载体(含碳、不含碳)和活性组分(合金、核壳、其他)构成,由图11来看,超过3 000项专利载体含碳;而活性组分主要是合金,以及核壳结构和其他活性组分。
相较于上述技术构成的单一专利数量分析,显性技术比较优势指数的衡量可以克服不同领域专利申请量的差异,当某国某一技术领域发明专利授权显性技术比较优势指数大于1时,表明该国相对于其他国家在该技术领域具有比较优势。从表5来看,中、美、日、德、韩在膜电极技术领域布局各有侧重,一定程度上与其能源发展战略等相符合。其中,美国、日本、德国、韩国在催化剂领域具有比较优势,我国目前在催化剂尤其是电催化剂批量生产等方面与国外还有一定的差距;中国在3种质子交换膜技术领域相对于其他四国具有比较优势,近几年国产质子交换膜稳定性和可靠性不断提升,处于加速发展阶段;韩国在气体扩散层领域具有比较优势(比较优势指数为1.42),我国在气体扩散层领域显性技术比较优势指数为0.97,相关技术水平有待提升。

3.5 重点企业

针对当前膜电极市场规模较大的企业主体进行进一步分析,可以为相关创新主体提供竞争方面的详细信息。根据市场研究数据,全球膜电极组件市场的竞争格局相对集中,主要的生产商包括以下10家企业(图12),其中现代汽车公司、丰田自动车株式会社、庄信万丰集团、鸿基创能科技(广州)有限公司以及Greenerity股份有限公司合计占据了市场62%左右的份额[17]。
由图12还可以看出美国Advent Technologies控股公司关注质子交换膜技术的研发,持续聚焦耐高温膜电极质子交换膜的发展。2023年,韩国现代汽车公司与Advent Technologies控股公司签署了联合开发协议,据悉二者将合作为机动性高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池堆引入先进的冷却技术,并确保堆栈冷却技术在不同操作条件下的最佳性能[18]。
由表6可以看出,膜电极市场重点企业主要来自日本(2家)、美国(3家)和中国(2家)。其中,来自日本的企业除了丰田自动车株式会社外还包括Greenerity股份有限公司。Greenerity股份有限公司是日本东丽工业株式会社设在德国巴伐利亚州的子公司,生产用于氢动力燃料电池电动汽车(FCEV)燃料电池的膜电极组件(MEA),应用于公交车、卡车、乘用车等。而东丽工业株式会社主营碳纤维相关制品,由图12可以看出,其子公司Greenerity聚焦催化剂、气体扩散层(碳纸)技术,据悉Greenerity将进一步扩大电池组件生产规模。相较之下,当前我国在高强度碳纤维等关键材料方面与国外技术水平还存在一定差距。
氢能产业政策大力支持、燃料电池汽车推广和相关技术进步的驱动,使得中国膜电极行业市场规模快速增长,近年来涌现出大批创新企业。由图12可以看出,膜电极技术领域的中国企业主要有鸿基创能科技(广州)有限公司以及武汉理工氢电科技有限公司两家,二者在催化剂、质子交换膜以及气体扩散层技术方向均有专利,其中催化剂技术分支专利占比均为最高。
鸿基创能科技(广州)有限公司是国内实现质子交换膜燃料电池膜电极大规模产业化的企业之一,成立于2017年12月,致力于质子交换膜燃料电池用高性能膜电极的大规模产业化,为国内外燃料电池厂商提供低成本、高性能的膜电极核心组件。由表7可以看出,具体技术研发覆盖了催化剂、质子交换膜、气体扩散层等,大多数为发明专利,授权3项,一定程度上反映了其在膜电极相关技术方面布局较为全面。
武汉理工氢电科技有限公司由武汉理工大学和深圳市雄韬电源科技股份有限公司联合发起成立,依托武汉理工大学研发的燃料电池相关技术,致力于膜电极大规模产业化。当前,其产品已批量生产并实现出口。近年来,武汉理工氢电科技有限公司聚焦于膜电极的催化剂、气体扩散层等技术研发(表8),专利布局一直较为集中。

4 总结与建议

燃料电池应用性极强,主要应用于交通运输、固定发电、分布式发电等领域。电池电堆是燃料电池的关键部件,当前全球电池电堆技术创新持续活跃,技术研发热度较高,专利主要来源地和当前的主要布局市场均为中国;新涌现的创新主体主要包括能源类企业、车企等。中国在膜电极、双极板相关技术领域处于领先地位,技术也达到国际水平,但在制造工艺、电堆设计与制造领域还有差距。
具体在膜电极领域,德国、美国等较早开展技术研发,日本在上世纪八九十年代进入这一领域,并保持较大的申请优势;近年来,中国膜电极技术持续保持领先地位。全球膜电极技术主要创新领域聚焦在负载型催化剂,美国、日本、德国、韩国在催化剂领域具有比较优势,我国目前在催化剂尤其是电催化剂批量生产等方面与国外还有一定的差距。此外,我国在气体扩散层领域也不具备技术比较优势,相关技术有待提升。
基于上述研究结论,在技术创新与布局方面提出以下几点建议。
(1)依托技术进步,进一步降低成本。需要进一步加大科研投入,支持基础研究和应用研究,如基于低铂、非贵金属等材料研制与生产低成本、高效率、高稳定性的催化剂,力争性能要等于或优于国际催化剂;推动气体扩散层持续国产化;增强质子交换膜的生产、膜电极三合一制备生产线等,实现产业化批量生产才能把降成本下来。进一步降低燃料电池发动机技术成本,实现整车成本的下降,为氢燃料电池汽车大规模产业化提供有力支撑。
(2)依托政策支持,进一步实现市场推广。我国政府高度重视氢能产业的发展,已出台多项政策支持氢能上下游产业链的发展,支持国内外研发机构的合作创新,引导企业加大投入,推广示范项目。要充分贯彻落实相关支持政策,发挥氢能产业链链主企业带动作用,与国内、国际建立广泛合作关系,加快海外市场的开拓布局,加大市场推广力度。建设完善加氢站网络等基础设施,进一步保障氢能汽车的大规模商业化。
(3)依托体制优势,进一步协同攻关。“充分发挥新型举国体制优势,必须把政府、市场、社会有机结合起来,科学统筹、集中力量、优化机制、协同攻关”,推动氢能产业链协同发展。目前,我国已形成涵盖制、储、运、加、用研发制造各环节的完整氢能产业链,但尚未“串联贯通”起来,廉价氢源的供应体量与连续性是当前燃料电池汽车发展的掣肘之一,上游的工业副产氢尚未充分利用,中游的储、运、加环节也还没能形成稳定廉价的产品供应链,部分基础设施建设仍需完善。需要依托我们的体制优势,在关键核心零部件等方面协同攻关,不断完善和壮大氢能产业链中各环节,实现氢能产业更加协同、高效的发展。

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国家知识产权局2024年度专利专项“制氢与燃料电池关键技术专利分析研究”(FX202407)

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