氢能是一种清洁、来源丰富、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体
[1]。氢能因其清洁、高效的特性,已成为全球能源转型的重要推动力。目前,欧美日韩等发达国家已将氢能战略性地纳入国家能源规划,通过政策支持和技术研发,推动氢能应用。中国政府也高度重视氢能在构建现代能源体系、推动新质生产力、实现“双碳”目标中的战略作用,相继推出多项扶持政策,加快氢能产业的发展
[2],尤其是科技部“十四·五”国家重点研发计划将“氢能技术”列为重点专项
[3]。2024年初,新型储能与氢能作为衔接新能源和传统能源的纽带,首次被写入两会政府工作报告。同年11月通过的《中华人民共和国能源法》提出,国家积极有序推进氢能开发利用,促进氢能产业高质量发展。加氢站位于氢能产业链的中游,是联系上游制氢、储氢、运氢以及下游用氢的重要节点,是氢能及氢燃料电池产业化和商业化的重要基础设施。与传统的加油站不同,加氢站通过高压或低温的方式储存和输送氢气,以满足氢燃料电池汽车的加氢需求。近年来,中国加氢站的建设进入了快速发展阶段,加氢站数量稳步提升。截至2023年底,国内已建成加氢站474座,累计覆盖30个省(直辖市、自治区、特区)。根据赛迪研究院发布的《绿色氢能产业发展白皮书》提出,到2025年中国的氢燃料电池汽车保有量将超过10万辆,加氢站保有量将超过1 000座。
加氢站的3大核心设备为压缩机、高压储氢系统和加氢机。加氢站的加注能力和储氢能力取决于这3大设备的性能参数。目前对加氢站相关技术的介绍,主要是从论文角度对加氢站的核心设备安全风险分析
[4]、泄露事故安全分析
[5]、储氢容器标准
[6]、压缩机性能
[7]、加氢工艺
[8-9]等方面展开研究,而鲜少有在专利视角下对加氢机进行研究分析。加氢机作为加氢站中的一个重要组成部分,其加注性能直接关系到加氢站建设运营成本和客户体验,更是评判加氢站实用性和商业可行性的重要指标。压缩氢气进入加氢机后,经过气体过滤、止回阀、流量计、自动切断阀、拉断阀、软管、加氢枪后进入车载储氢瓶,完成加注工作。专利作为技术信息的最重要载体,通过专利信息分析,不仅可以揭示出技术包含的类别、功效、所有者、法律状态等状况,而且通过对大规模专利数据的深度挖掘,能够直观洞察总体技术发展态势、具体的技术发展路线和重要创新主体的研发动向以及专利布局策略。
已有学者应用专利分析方法开展FPSO输运系统
[10]、全球6G关键技术
[11]、海上风电检测技术
[12]、深海矿产资源开发技术
[13]、超临界二氧化碳动力循环技术
[14]等领域的技术演进路线和区域竞争态势分析。因此,从专利分析的角度探索加氢机技术的研发路径,有助于各类创新主体准确把握技术发展脉络,追踪技术研发热点,为后续的技术研究和专利保护、转化运用等工作提供支撑。
1 加氢机专利申请趋势分析
本文基于IncoPat专利数据库,针对2023年12月31日之前申请的专利进行加氢机领域的检索,再通过数据去重、数据标引以及简单同族合并,得到 1 006件相关专利作为分析样本。由于专利申请公开的滞后性,2023年提交的少量申请和2024年提交的相当一部分申请尚未公开,导致这两年的申请量(以申请日为统计口径)比实际数量偏低,因此不作为分析的重要依据。
加氢站和加氢机在全球专利申请量趋势如
图1所示,加氢站专利申请总数为3 289项,加氢机专利申请总数为1 006项,占比为30.6%。加氢站和加氢机申请量整体上呈现增长趋势。从整体数据来看,2004—2023年,全球加氢站和加氢机的专利申请数量整体呈现上升趋势,且趋势整体相近,反映出全球对于加氢站及加氢机技术的研发投入和创新关注度在不断提高,其大致可分为两个阶段,2004—2016年为技术萌芽和缓慢增长期,加氢站和加氢机的专利申请数量增长相对平稳,有一定的波动但幅度较小,其中加氢站专利申请数量每年在20件上下小范围波动,说明这一时期全球加氢站技术处于基础研究和初步发展阶段,技术发展相对缓慢,市场需求和应用场景也较为有限。2016年8月,国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,指出氢能是新一代引领产业变革的颠覆性能源技术,同年中国标准化研究院和全国氢能标准化技术委员会制定《中国氢能产业基础设施路线图》,对加氢站数量进行了规划。2017年,日本开始大力发展氢能产业并发布国家氢能战略。与此同时,其他各国都在加大氢能领域投入,并制定了氢能发展战略。随之而来的2017—2021年为快速增长阶段,专利申请数量迅速上升,加氢站专利申请数量快速增长,从每年47件增长到793件,表明随着氢能产业的发展以及各国对氢能重视程度的提高,加氢站作为氢能应用的关键基础设施,受到了广泛关注,大量的企业和科研机构投入到加氢站技术的研发中,技术创新活跃,新的技术方案和应用不断涌现。2021年加氢站专利申请量达到峰值793件,加氢机达到220件,显示出在加氢站建设不断推进的背景下,加氢机作为加氢站的核心设备之一,其技术研发也逐渐受到重视,以满足加氢站日益增长的建设和运营需求。与此同时,加氢站专利申请数量的增长速度快于加氢机,这得益于研究主体对加氢站中压缩机、储氢容器等核心设备也保持充分关注。
2 专利地域布局分析
2.1 全球专利地域布局分析
技术原创国表征的是技术输出国,统计专利第一申请人国籍。在全球范围内,加氢机专利技术申请人国别如
表1所示。从表中可以看出,中国以626件专利申请数量位列第一。其次是日本、法国、德国、韩国。近年来,中国政府对氢能产业予以大力支持,将氢能纳入国家能源规划和管理体系,同时伴随加氢站建设的显著进展,推动了加氢机技术的发展,我国在加氢机领域的研发活跃度和创新能力均处于世界前列。日本、法国、德国的占比分别为18.5%、5.9%、5.2%。中国、日本、法国、德国总占比超过91.6%,说明加氢机技术主要集中在上述4个国家。日本作为全球最早开展氢燃料电池汽车研发和推广的国家之一,其在加氢机技术上同样具有较强的实力。日本的汽车制造商如丰田、本田等在氢燃料电池汽车技术方面处于领先地位,同时也在加氢机技术研发方面投入了大量资源,其加氢机技术在安全性、可靠性和加注效率等方面均具有较高水平。法国政府同样对氢能产业的发展予以重视和支持,其加氢站主要为公共汽车和定制车队服务,在2024年夏季奥运会期间,加氢站成功为出租车和其他车辆提供了能源支持。德国在氢燃料电池技术领域具有较长的研究历史和深厚的技术积累,截至2023年底,德国共有105座加氢站,位于欧洲前列。韩国和美国同样在加氢机技术方面具有一定发展潜力,韩国的现代汽车等企业在氢燃料电池汽车以及加氢机技术研发方面投入巨大,美国在加氢机技术方面注重与可再生能源的结合,加速清洁氢能技术的研发。
表1也给出了加氢机技术领域专利主要进入国家的分布,即目标市场国分布。可见,在加氢机领域,主要的目标国/地区为中国、日本、美国、欧洲,表明这些区域是全球加氢机相关技术的主要竞争市场,其分布情况基本与加氢机原创国分布基本相同,均是在加氢机技术方面具有较强科技实力的国家和地区,这主要是与这些国家/地区所具有的市场价值、能源需求、氢能资源有关,因此国内研发主体在后期专利布局可优先考虑在这些国家/地区布局。中国和欧洲占比靠前,分别为51.1%和16.0%。中国作为目标国占比中排名第一的国家,具备多种加氢站技术形态,同时在加氢站建设目标和燃料电池汽车推广上有着清晰的短期规划和长期规划,对成熟稳定的加氢机技术需求较大。截至2023年底,欧洲共有265座加氢站,且欧洲在氢能机车技术方面取得了突破,例如瑞士的Stadler氢能机车达成了 2 800 km的续航里程。欧盟通过立法和加强对加氢网络的投资进一步推动氢价值链的增长,其中2023年通过的《替代燃料基础设施条例》规定,2030年12月31日前在所有城市节点以及跨欧洲核心交通网络沿线每隔200 km部署一个为轻型和重型车辆提供服务的加氢站,且每座加氢站需配备70 MPa加氢机。日本和美国作为目标市场国占比紧随其后,日本氢燃料电池汽车发展较为成熟,丰田的 Mirai等氢能燃料电池车型已实现商业化运营,与其配套的加氢机技术也得到了快速发展。美国燃料电池与氢能协会在2019年发布的氢能路线图中提到2025年建成1 000座日加注量500 kg的加氢站,以加速氢能在交通运输领域的普及。
2.2 国内专利地域布局分析
中国国内申请量省域分布如
图2所示,申请量排名前5的分别是上海、四川、江苏、北京、河南,占全国申请总量的67.8%,上述地区能源需求特别是清洁能源需求较大,同时省域内创新企业、科研院所、资金支持更为充沛,申请了大量的专利。上海申请了117件加氢机相关专利,其技术储备在国内处于领先地位,目前已拥有多种先进的加氢设备,如 35 MPa/70 MPa红外通信加氢技术设备等,另外根据《上海市氢能产业发展中长期规划(2022—2035年)》,到2025年计划建设各类加氢站约70座,燃料电池汽车保有量突破1万辆。大川压缩机有限责任公司、厚普清洁能源是四川省加氢机产业的领军企业的代表,其在加氢设备上专利储备资源丰富。四川省同样制定了氢能产业发展规划,明确提出要完善加氢基础设施,结合产业布局和应用体系,在高速公路、国省干道、矿山、产业园区、港口码头等应用场景丰富地区规划布局改造建设一批加氢基础设施。此外从2021年“氢走廊”项目启动以来,川渝两地推动打造互联互通的氢能经济网络取得明显成效,成渝两地已经聚集氢气储运上中下游200多户企业及科研院所,累计投入运营的氢燃料电池汽车 1 000余辆,建成加氢站近20座。川渝不仅有应用场景优势,更有着完善的产业链基础,例如四川华能、东方氢能、中国汽研、中材科技、重汽王牌等企业覆盖“制-储-运-加-用”全链条。江苏省目前累计建成31座加氢站,拥有如油氢合建站、油氢电综合加能站等多种类型的加氢站,且在加氢机技术方面不断创新和引进。江苏国富氢能技术装备股份有限公司是国内领先的氢能装备一体化解决方案提供商,其加氢装备以及供氢系统在国内市场占有率位列第一,填补了多项技术空白。张家港富瑞特种装备股份有限公司、江苏中能化学科技股份有限公司等企业同样在加氢设备的研发方面投入较大。北京未来科学城自主研发的35 MPa/70 MPa快速加氢机是国内首个获得国际认证的快速加氢机设备,能在3~5 min内为物流车加满燃料。北京中电丰业技术开发有限公司、北京海德利森科技有限公司等企业同样专注于加氢设备的技术研发,不断提升技术实力。北京依托其科研资源和产业基础,将持续加大对加氢机技术研发的投入,进一步提高加氢机的性能和效率。河南省郑州高新区金马氢能固定式加氢站于2023年正式投运,加氢能力达到2 000 kg,是河南省最大的加氢站。此外,浙江、山东、广东等省份在加氢站建设、氢能相关企业培育以及政策规划方面均积极布局,推动国内加氢机技术不断发展。
3 重点申请人分析
为了解加氢机领域主要申请人情况,分析推动该技术方向发展的重要力量,进一步揭示主要申请人及其整体竞争态势,对全球申请人的申请量进行了统计分析,全球申请量排名前十五的申请人如
图3所示。从申请人类型来看,排名前十五的申请人中有14个均为企业申请人。从专利申请数量来看,龙野公司、液化空气集团、舜华新能源、氢枫能源和本田公司位居前5,在申请量上优势明显,形成第一集团。龙野公司是一家专门开发加油机/加气机装备的研究型企业,在1911年就研发出了日本首台用于加油站的加油机,随着新能源的兴起,其在天然气加气机、氢气加气机等领域均有雄厚的技术储备,同时在加氢机领域拥有专利申请近60件,其专利技术覆盖加氢控制方法以及加氢机安全接头等多个技术分支。法国的液化空气集团作为传统的跨国能源集团,是世界上最大的工业气体及相关服务供应商之一,也是加氢机领域专利布局较多的企业,申请总量接近50件,其专利技术聚焦于加氢机中的加氢控制系统及方法。本田则是依托其强大的汽车产业较早做好了由燃油车向氢能源汽车转型的技术储备,在该领域的专利申请量较大,其专利技术主要涉及与车辆相关的加氢控制系统。上海舜华新能源系统有限公司成立于2004年,是国内成立较早的氢能公司,其产品覆盖车载供氢系统及其零部件、加氢站设备等多个方面,在加氢机领域的专利涉及加氢机的计量、通信、控制、加氢枪等多个方面。氢枫能源是目前国内氢能综合性企业之一,其产品涉及氢能的制取、储运和应用全产业链,在加氢机领域的创新主体主要是旗下的上海氢枫能源技术有限公司,该公司成立于2016年,其加氢机的专利技术涉及加氢枪、加氢控制系统、加氢机智能控制等多个方面。排名前5的申请人中,国外申请人占3位,均是该领域的老牌龙头企业。国内的上海舜华新能源系统有限公司和氢枫能源是国内氢能领域综合实力强的公司,其在加氢机领域也拥有大量研究成果。排名前6~15的申请人形成第2集团,其中排名7~12和15的均为国内申请人,正星科技包括正星科技股份有限公司和正星氢电科技郑州有限公司,其申请量紧随第一集团,其加氢机专利技术涉及加氢枪、智能控制、加氢机检定等多个方面,是加氢机研究的综合性企业。而排名随后的申请人中,除国富氢能和富仁集团对加氢机的研究涉及加氢枪、拉断阀、加氢机自动控制等多个方面外,其余的申请人则侧重于加氢机的某个方面,例如优捷特环、北京航天试验技术研究所和成都安迪生主要从事加氢枪的研发,浙江浙能和国家能源则侧重于加氢机加注过程控制、计量、泄露监测等。此外,大阳日酸和丰田公司的加氢机专利技术大多集中于加氢控制系统及控制方法。进一步分析各申请人的专利布局情况,排名前5的国外申请人均进行了加氢机专利的国外布局,尤其是排名前3的国外申请人,其多边申请的占比超过申请总量的一半,在全球范围内进行了大量布局,而液化空气集团以90%的多边申请最为突出。可见,国外申请人非常重视其专利技术的布局,非常重视外部加氢机市场。国内申请人的加氢机专利申请几乎都是在中国提交的单边申请,国内创新主体目前还主要聚焦在国内市场,随着加氢机技术的积累和提升,国内申请人亟需加强在国外市场的专利布局。值得注意的是,加氢机领域申请量排名前5的国外申请人中,日本占4位,法国占1位且排名第2,可见日本和法国在全球加氢机领域具有较大优势。此外,国外申请人的专利申请数量近几年相对稳定,而国内申请人如舜华新能源、氢枫能源和正星科技,虽然专利申请和布局的时间较晚,但近两年的申请量大、申请数量增长快。
4 技术构成分析
IPC分类号是国际通用的专利文献分类和检索工具,专利分类号反映其所对应的技术主题。通过对IPC分类号分析,能够加强研发人员对加氢机核心技术研究方向的直观理解,以期更好地把握目标技术未来的发展态势
[15-16]。文本以分类号的大组为统计口径,对加氢机专利进行IPC分类号的统计,筛选出排名前10的主分类号,以及该分类号在专利分析样本的所有专利中出现的总次数,如
表2所示。
从
表2中可以看出,49.2%的专利申请都以“F17C5液化、固化或压缩气体装入压力容器的方法和设备”为主分类号,该分类下主要涉及加氢机管路系统及控制系统、加氢方法等技术主题,是加氢机领域主要热门研发方向之一。“F17C13容器或容器装填排放的零部件”的占比也达到了15.6%,主要涉及加氢机的附件,如加氢枪、拉断阀、管路、仪表等。同时F17C13总出现次数达到了635次,即大多数专利申请的副分类号包括F17C13,可见加氢机的许多专利申请都附带涉及F17C13相关主题的技术改进,突显加氢机领域研发多维度、多系统融合特性,相关创新旨在提高加氢机工作效率、提高系统稳定性和延长设备寿命。另外,F17C7也涉及加氢过程的控制系统和控制方法;F17D1主要涉及与加氢机相关的管路系统和管路控制。其余分类号涉及加氢计量、阀、车辆储氢瓶和燃料电池。基于上述分析可知,加氢机的专利技术焦点主要涉及加氢控制系统和方法、加氢机零部件。
5 加氢机技术进展及技术功效分析
专利技术路线图是一种以可视化方式凸显特定技术领域内专利技术发展路径和方向的工具,它将专利信息与技术发展的时间、趋势等要素相结合,通过展示重要节点性专利文献的时间和技术分支定位以及基于技术关联性的专利文献之间演进关联关系,介绍技术发展演化历史。帮助创新主体更好地理解加氢机技术的迁移变化方向,有针对性地开展技术研发和专利保护。本文基于专利被引次数、专利家族情况、重点专利权人、IPC分布数量等指标筛选重点专利,绘制加氢机专利技术发展路线图
[17-18]。加氢机的技术路线整体上分为控制系统和加氢枪两条分支。
5.1 加氢机控制系统
加氢机控制系统能够基于氢气加注过程中的设备参数以及外部实时条件对加注温度、压力等核心工艺参数进行控制,是保障加氢机稳定运行的核心系统。控制系统在发展后期逐步发展成两条分支路线:聚焦于加氢机内部参数的参数控制,以及加氢机的智能控制。早期的加氢应用于航天、军工等领域,加氢规模小且对成本控制不敏感,同时受制于当时的技术水平,该时期的加氢机主要关注单因素的控制,例如本田于2001年公开了一种氢的快速填充方法(JP2001355795A),重点考虑了加注压力的因素。随着氢能在多个领域的推广应用,尤其是在交通等商用领域的应用,这对加氢的经济性提出了更高要求,美国通用氢气公司于2003年提出的一种氢燃料供给站(WO03059742A1)是该时期典型的代表,引入了多级加注工艺,利用多个储气罐中的压力梯度来实现气瓶自动的充装,加氢时按照低压储气罐-中压储气罐-高压储气罐的顺序依次供应氢气,来减少压缩机的使用时间和频次,从而减少能耗并降低成本。在随后的发展中,法国液化空气集团于2009年对多级加注做了进一步优化(WO2009013415A1),其通过增加缓冲罐、优化多级储罐的管路连接等方式,提高压缩机的入口压力,从而降低压缩能耗并提高加注效率。随着加氢站的商业化运营,各国对加氢工艺提出了更高的要求,例如美国能源部期望将加注时间控制在6 min以内,加注5 kg或6 kg、压力为70 MPa的氢气应该在3 min或5 min内完成。同时,国内的相关标准对加氢机提出了更明确具体的要求,例如GB 50516—2021《加氢站技术规范》中对加注速率(不大于7.2 kg/min)、加注率(95%≤SOC≤100%),以及加氢结束时车载储氢瓶的瓶内温度(不超过85℃)和压力(不超过1.25倍公称工作压力)提出了要求;GB/T 31138—2022《加氢机》对加氢机加注时的各参数提出了更详细的要求,包括流量控制及计量精度、加注边界条件等要求
[19-20]。反映在技术路线上,随着氢气加注过程中对加注参数控制精度的要求逐渐提高,开始出现通过公式建模、自动查表计算等方式来对控制参数进行模拟计算的手段,如本田于2014年申请的核心专利,基于热力学基础和加氢机参数、气瓶参数等,建立基于氢燃料系统的总热容量的罐填充模型,能够较准确地计算和预计加氢的结束温度,从而能够以最优的加注方案进行加注(WO2014149930A1);国内方面,上海舜华新能源系统有限公司于2019年也提出了通过公式建模的方式进行加氢工艺的控制(CN110848566A),其也是基于热力学基础,考虑环境温度对氢气瓶中气体加注程度的影响,并通过在环境温度下,对氢气瓶中的实际压力与目标压力的差值控制,保证储氢瓶中加注满氢气(SOC=99.5%~100.5%)。为了满足加注的相关标准以及更高的加注要求,在关注加氢机自身控制参数的基础上,还需关注车载气瓶的状态,例如龙野公司于2021年提出了一种加氢装置(JP2021116860A),将加氢机与车辆传感器及车载传感器联动,综合考虑加氢机的性能、车载气瓶参数等多重因素后,计算气瓶内残余氢气量以及需加注的氢气量,从而使不同初始状态的气瓶在填充结束后达到相同的加注率。
加氢机控制系统的另一条发展路径是实现智能化加氢,随着互联网、智能控制等辅助手段的成熟应用,加氢机也朝着智能化的方向在发展,如美国通用氢气公司于2003年申请的一种氢燃料供给站(WO03059742A1)就已经提出了通过无线网络来实现信息传输、精确控制的手段。本田于2002年提出了通过互联网实现车载气瓶与加氢站之间的信息互联,从而提前生成氢气加注计划的方案(DE10241688A1),中国石化于2016年提出了自动识别车载氢气瓶并且自动加氢的解决方案(CN106015926A),上海舜华新能源系统有限公司也在2014年公开了一种红外无线通信系统,在加注过程中实现加氢机与燃料电池汽车之间的实时通信(CN103944634A),并且该公司于2020年公开了一种自动化无人加氢系统,通过视觉探测器、机械臂等实现全自动加氢(CN111520609A)。可见自动、智能加氢也是加氢机发展的一个重要方向,并且进一步向智能互联加氢发展,即融合不同加氢站的气源参数、一个加氢站内的多个加氢机参数、多个车辆的加注需求参数等,基于大数据分析、建立神经网络模型等手段,实现加氢站内多个加氢枪的联动和智能分配、多个加氢站之间的联动和氢气的智能调配,例如根据车辆信息和加氢站设施信息,确定若干待加氢车辆的加氢顺序(CN117231907A),将加氢站和智能车辆的进行大数据分析,智能地为每个加氢站供氢(CN113869805A),基于大数据进行加氢站选址、实现智能无人加氢(CN114038124A)。在此发展趋势下,加氢机也在进行智能化升级,以适配加氢站的智能系统。
可见,加氢机控制系统的发展路线主要分两条路径进行,一条是聚焦于加氢机自身的参数控制,例如加注压力、温度、流量等参数,通过这些参数的控制,实现加注的高效率、高精度、节能以及安全,进而使加氢机满足各种规范要求并提高经济性;另一条是聚焦于加氢机的智能控制以及加氢机与站内外其他设备的联动控制,实现整个加注过程的自动化和智能化。
5.2 加氢枪
加氢枪是加氢机中重要的组成部分,也是加氢机中相对独立的功能部件,从解决的技术问题及技术功效的角度进行分析,加氢枪的发展路线主要包括加氢枪与气瓶的连接/密封结构和加氢枪的防霜结构两条分支路线。加氢时加氢枪与车载气瓶相连接,连接的可靠性以及两者之间的密封性能直接关系到加氢安全,因此加氢枪与车载气瓶的连接和密封结构是加氢枪技术中的重要技术分支,日产公司于2002年公开了一种对加氢枪内残余压力进行控制的方法,通过设置加氢枪残余压力的检测以及对应的限制机构,防止残余压力影响加氢枪连接的可靠性(JP2002286199A)。随后,太阳日酸于2003年通过高分子密封材料来改善加氢枪密封性(US6904944B2)。在随后的发展中,不同技术人员通过逸出氢气回流、密封圈清洁、双重密封、高硬度密封材料等手段,有效提升加氢枪的密封性。对于加氢枪与气瓶的锁紧结构,早期的加氢枪大多借鉴天然气等加气枪的锁紧结构,这类锁紧结构一般通过机械直连的方式实现枪体和加注口的锁紧,但是由于加氢枪的加注压力远高于天然气等加气枪的压力,随着35 MPa以及70 MPa加氢枪的应用,这类锁紧机构已经不能满足需求。为此,近几年出现了自锁紧的加氢枪锁紧机构,例如威海市泓淋电子有限公司于2021年研发了一种气压主动锁定型加氢枪(CN112728400A),通过设置双重机械锁紧结构和气压主动锁紧机构,利用卡爪和锁杆的共同作用,实现可靠锁紧。另外,也有在加氢枪内设置氢气的分支流道,借鉴先导阀的启闭原理,通过支路引出少量氢气,推动主要加注通路中的活塞,实现加氢的启停,同时,通过氢气本身推动锁紧机构运作,实现加注过程中的启闭和自动锁紧。由于氢气在加注时表现出负焦耳-汤姆逊效应,即氢气通过加氢枪进入气瓶时会导致氢气温度升高,如果加注速度过快会则会导致气瓶内氢气温度过高,造成安全隐患,同时影响氢气瓶的充排循环次数并降低储氢密度,因此在加氢过程中需要控制氢气在气瓶内的温升。为了保证充气速率并防止车载气瓶温度过高,有效的方式之一是将氢气预冷,通常需要将氢气冷却至约-20℃,甚至要求达到-40℃,但在填充过程中,氢气瓶和加氢枪的连接部分暴露在空气中并被氢气冷却,该连接部分的空气水汽被冻结,从而导致加氢枪喷嘴被冻结在气瓶插座上,填充结束后难以取下加氢枪,同时还可能对加氢枪的密封圈等结构造成不可逆的损伤,导致氢气泄露。因此,解决加氢枪结霜这一技术问题是加氢枪技术发展中的一个重要分支,这些防结霜技术中,日本三菱重工于2005年提出了在加氢枪外部设置隔热套的方案(JP2005315273A),通过通风管形成隔热层,从而避免枪体的外部急剧冷却而被冻结。丰田于2011年公开了一种加氢枪(JP2011002052A),在加氢枪喷嘴上设置传热结构,通过压缩机排出气体的余热来加热枪体,从而避免加氢枪结霜,并可对结霜后的加氢枪除霜。在后续的发展中,各专利技术分别给出了吸除冷凝水、惰性气体保护、喷吹空气、隔绝外部水汽等手段,均能够有效避免枪体在加注氢气的过程中被冻结,例如太阳日酸于2018年公开了一种加氢枪,在加氢枪枪口的连接处设置盖部件,并在盖部件的内部通入惰性气体,以此防止加氢枪结霜(JP2018168890A)。随着制造工艺水平的提升,近几年出现了设置真空隔热层的枪体结构,即在加氢枪的喷嘴上设置真空隔热层,例如苏州先创流体控制技术有限公司于2021年设计了一种带有真空绝热层结构的加氢口(CN214249129U)、北京航天试验技术研究所于2022年开发了一种带真空隔热层的液氢加注装置(CN217422921U)。
以上对控制系统和加氢枪的技术路线分析中侧重于加氢机结构和控制,从技术路线图(
图4)中可以看出,加氢机的安全性、加注效率、计量精度、节能降耗、自动化等性能/效果的提升贯穿整个技术发展历程。此外,加氢机的拉断阀、流量计等主要功能部件的性能也伴随着加氢机发展而不断提升。
6 结论
(1)全球加氢站和加氢机专利申请均经历了技术萌芽及缓慢增长期、技术快速发展期两个阶段,技术申请趋势受国家/区域政策、能源规划和技术开发程度等影响较大。全球加氢站和加氢机专利申请在2017年后快速增加,从专利申请量来说,中国在专利数量上已经处于领先地位,技术积累较为充足,且中国作为全球重要目标市场,各地政府高度注重氢能源的制、储、输、用氢全链条技术开发应用,未来国内加氢站和加氢机的申请量将会进一步增加,持续为全球氢能产业贡献创新活力。此外加氢机专利申请总数占加氢站的30.6%,表明加氢机技术是国内外研究的重点技术。
(2)中国国内申请人省域申请量排名前5的分别是上海、四川、江苏、北京、河南,占全国申请总量的67.8%。建议加快氢能产业示范城市群建设,通过区域类专利导航,聚焦上海、四川等区域在氢能产业发展中的机遇,推动实现因地制宜,整合各地产业发展优势资源协同发展(例如高质量推动成渝地区双城经济圈氢走廊战略合作),串联重点城市,形成产业链示范带。着力优化技术发展生态,加强加氢产业标准建设,不断完善产业标准规范,围绕加氢站核心设备中加氢机和高压储氢系统布局产业标准,夯实我国的技术优势。
(3)全球加氢机的专利技术集中度较高,被日本的龙野和本田、法国的液化空气集团等3家巨头垄断,其专利技术覆盖加氢机控制系统、加氢枪、其他加氢机零部件等各个技术分支,且在全球范围内广泛布局。国内加氢机技术起步较晚但发展迅速,既有氢枫能源、国富氢能等加氢机综合研发企业,又有专注于加氢枪等主要部件研发的科研院所和企业,但也应当意识到中国研发主体在海外布局方面存在不足。当前形式下,对于国内加氢机开发者而言,一是注重人才队伍建设,加强国际交流合作。积极对接国外技术发展新趋势,针对性地引进吸收日本、欧洲在加氢机领域技术优势,要对国外龙头公司的进行技术、法律等方面的动态追踪、风险排查,避免侵权行为发生。加强与国际同行的交流合作,发挥我国加氢机技术及产业配套优势,在全球市场上推广加氢机技术及产品,提高国际竞争力。针对重点技术人才开展合作、交流或引进,建设国际化技术研发平台和产学研融合基地,鼓励开展多学科多领域人才联合培养,加快提升氢能科学与工程等学科建设成效,支撑加氢机技术快速发展。二是打造以龙头企业和科研机构组成的创新联合体,聚焦加氢控制系统、加氢枪等重点方向,凝聚优势科研力量,加强技术攻关和海外专利布局,实现从基础研究到产业化的全链条创新,推动加氢领域产业规模快速提升。
(4)在加氢机的发展历程中,控制系统和加氢枪是加氢机技术发展的重点,由于早期加注压力和规模的需求不高,加氢机的控制系统主要考虑的单因素控制。随着氢能应用的不断普及和加注指标的不断提高,技术人员通过多级加注工艺、建模控制等手段,不断提高加注的经济性、加注效率和加注安全。同时,在控制系统的另一个发展方向是加氢机的智能化控制以及加氢机与其他设备的智能联动控制,特别是智能化加氢是加氢机近几年的研究热点,基于大数据、大模型的智能互联加氢是加氢技术的发展趋势之一,因此在今后加氢机的研发中,除了注重加氢机自身控制系统的研发,还应当注重加氢机与加氢站、加氢车辆的智能联动。加氢枪的一个技术发展方向是通过结构以及密封材料的不断改进提高加氢枪与气瓶的连接可靠性以及密封可靠性,另一个方向是通过加氢枪结构改良或者通过外设机构对加氢枪进行除霜。当前国内高压加氢枪技术还有待进一步突破,国内加氢枪研发单位相对分散和独立,通过加强各单位的合作,打造创新联合体有望高效推进加氢枪技术高质量发展。
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