盒子网制氢与燃料电池技术分别位于氢能产业链的上游与下游，是支撑氢能全产业链协同发展和新场景大规模应用的重要技术。当前我国氢能大规模应用还面临一些挑战。从制氢技术看，现有成熟的化石能源制氢等技术大多依赖煤炭、天然气等一次能源，环保性问题较为突出；生物法制氢技术尚不成熟；水分解制氢等技术仍存在经济性方面的问题。从用氢技术看，现有氢燃料电池汽车规模不足，便利性和经济性等还有待提高，需要加大投资力度，加强基础研究，突破技术瓶颈。笔者基于制氢与燃料电池专利数据形成对氢能产业运行有效支撑进行分析，以期为创新主体制定针对性竞争策略提供参考。
专利申请整体态势
制氢全球专利申请趋势大致分为3个阶段，2015年至今进入急速增长期，专利主要来源于中国，美国以2200项专利位居全球第二；主要布局市场为中国，近8000项专利公开，是美国的近四倍。创新主体主要为高校和科研院所以及大型化工企业，多申请发明专利。
中国燃料电池专利整体保持增长态势。国内专利申请1.0513万项，主要来源于上海、江苏、广东。燃料电池各技术分支均为有效专利所占比重最大。在技术构成方面，膜电极技术专利最多，占比近30%，其次为制造工艺技术。
上世纪60年代，全球电池电堆主要布局市场为德国、美国，到了80年代，逐步转向日本，直至2000年开始减少，近年来中国成为炙手可热的布局市场。中国在膜电极、双极板技术领域处于领先地位，但在制造工艺、电堆设计与制造方面还有差距。
关键技术分支专利布局
电解水制氢技术主要分为 PEM（质子交换膜）、固体氧化物、碱性电解水制氢等，其中，PEM制氢技术具有高效率、低能耗和环保等优点。PEM制氢专利技术布局均较为全面，主要由系统、装置以及电解槽构成。从组分来看，扩散层领域当前聚焦钛毡和碳毡技术的研发，催化层领域技术集中于低铱、低铂等贵金属材料。从性能来看，质子交换膜技术集中于导电率的提升以及耐高温耐高压技术的研发；双极板和电堆结构/系统技术聚焦于耐腐蚀性双极板、耐高压的电堆的研发。
膜电极是电池电堆的核心，其至关重要的驱动力就在于催化剂。催化剂专利构成反映了当前技术研发的热点，目前负载型催化剂占比最大，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，超过3000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。
催化剂技术涉及到的主要工艺是水热法/化学溶液，水热法/化学溶液是催化剂制备的常用工艺方法，主要用于负载活性组分到载体上，一定程度上反映出此技术领域研发集中于负载型催化剂。此外，热解/碳化/煅烧结、涂覆等工艺也有一定的占比。前者主要用于催化剂成型和活化阶段，具体应用于转化前驱体或者制备碳载体等；后者主要涉及将活性组分或其他功能性材料负载在载体上，形成涂层式催化剂，能增加催化剂的比表面积，提高活性组分的分散度，从而优化催化剂的催化性能。
国内外专利对比分析
从专利申请数量来看，全球制氢专利主要来源地和布局市场均为中国。中国制氢专利整体保持增长态势且市场规模不断扩大。全球燃料电池技术专利申请呈现持续增长态势，来自其他国家和地区的燃料电池专利申请量不具备领先优势，国外来华申请主要来自日本（3.74%）、美国（2.23%）。
全球电解水制氢专利技术研发热度较高。制氢专利主要来源于中国，同时中国布局多元化的技术路线。但中国高导电率、耐高温高压质子交换膜与国际水平还有差距。PEM制氢所需关键材料依赖进口，国内高导电率、耐高温高压质子交换膜材料方面与国际水平还有一定的差距，制氢质子交换膜市场主要被海外龙头企业占据，国产质子交换膜的性能已逐步提高，但仍需提高性能，克服高温高压下工作稳定性。
低成本、高稳定性的催化剂是备受关注的研发方向。PEM制氢主要关注制氢催化剂的效率提高、稳定性提高、成本降低等方面，当前催化剂多用铂等贵金属材料，成本较高且容易发生“中毒”，导致活性或选择性明显降低。因此，基于非贵金属等材料研制出高效率、高稳定性的催化剂是备受关注的研发方向。
中国在膜电极、双极板相关技术领域处于领先地位。燃料电池技术下电池电堆相关技术占比超过了80%，占整个燃料电池系统成本的一半左右，但在制造工艺、电堆设计与制造方面与国际水平还有差距。当前，需要改进膜电极制备工艺来提高一致性和耐久性，优化双极板的流场设计实现更均匀的气体分布和温度控制，有效提高电堆的稳定性和使用寿命。
催化剂技术向低成本、高性能等方向持续研发。全球膜电极技术主要创新领域聚焦在催化剂，占比达到67%。催化剂专利聚焦降低铂用量和提高可持续性，例如基于铁磷等材料的非铂催化剂，旨在减少对贵金属的依赖，同时保持甚至提高催化性能，以及利用纳米技术来设计和制造具有特殊性能的催化剂材料，不断优化催化性能，从而提高催化效率。
主要建议
当前，氢能全产业链技术不断创新突破，朝着提高能源转化效率、降低技术成本的方向发展。上游制氢和下游燃料电池应用呈现出显著变化。笔者建议：
第一，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；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。
第二，依托政策支持，进一步加强市场推广。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。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。
第三，依托体制优势，进一步协同攻关。充分发挥体制优势，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，但上游的制氢与中游的储运加氢以及下游的用氢没能“串联贯通”起来，尤其是中游的储、运、加环节还没能形成稳定廉价的产品供应链。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，不断完善和壮大产业链各环节，实现氢能产业更加协同、高效的发展。（国家知识产权局专利分析普及推广项目制氢与燃料电池课题组）
（编辑：刘珊）
