一、引言

當前全球能源和環(huán)境問題日益嚴重，針對能源消耗較高且環(huán)境污染較嚴重的汽車領域，世界各國紛紛將解決方案投向了新能源汽車領域。燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)是高效、清潔的綠色能源裝置，不僅能夠實現(xiàn)在燃料上完全替代燃油，而且具有動力性能高、能量轉換效率高、接近零排放、充電快、燃料來源多樣且可再生等諸多優(yōu)點，成為未來新能源汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一。

本文從燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)全球專利態(tài)勢、專利技術流向、申請人、技術生命周期以及技術發(fā)展路徑等角度出發(fā)，對全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的區(qū)域分布、主要市場競爭者、技術生命周期以及技術發(fā)展情況等進行分析。截止到本報告的檢索截止日（2019年4月17日），全球共申請燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)相關專利37658項，其中電堆為22796項，輔助系統(tǒng)為14862項。

二、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)產業(yè)專利的國內外發(fā)展趨勢分析

（一）全球申請趨勢分析

圖1為該領域中膜電極、雙極板、氫氣供給及循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給及增濕系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的全球專利申請量趨勢。從中可以看出，膜電極技術分支的申請量較大，雙極板的申請量次之，氫氣供給及循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給及增濕系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)作為燃料電池發(fā)動機的輔助系統(tǒng)相關技術專利申請量相當。


圖1 全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)專利申請趨勢圖

總體來說，燃料電池發(fā)動機技術的全球專利申請經(jīng)歷了以下4個階段。

1.第一階段：起步期（1960年以前）

該階段的專利申請非常少，從1908年后的半個世紀至1960年，平均每年的申請量低于10項，處于理論與應用基礎的實驗室研究階段。

2.第二階段：緩慢發(fā)展期（1961—1989年）

該階段專利申請趨勢緩慢增長，全球平均年申請量在100項以內，大部分專利申請來自日本，且進入該領域的申請人數(shù)量依然比較少。20世紀60年代，歐美國家軍工部門開始高度重視燃料電池技術的研發(fā)，主要被應用于航天、潛艇等領域，由于燃料電池還未廣泛應用于交通運輸領域，因此電堆的專利數(shù)量要明顯多于輔助系統(tǒng)的專利數(shù)量。

3.第三階段：加速發(fā)展期（1990—2011年）

該時期分為兩個階段，即平穩(wěn)發(fā)展期（1990—2000年）和快速發(fā)展期（2001—2011年）。在第一快速發(fā)展期間，全球專利申請量呈現(xiàn)比較平緩的增長，主要來自于日本的申請，美國、韓國等其他國家的申請量較之前沒有明顯的變化。而2000年以后專利申請量增長較為快速，該領域的全球專利申請量2002年突破了1000項。隨著燃料電池在交通運輸領域的應用，輔助系統(tǒng)的專利增長速度與電堆的專利增長速度相當。各大汽車廠商陸續(xù)開展了燃料電池汽車的研究，從推出和驗證概念車到規(guī)模化示范運行，標志著燃料電池已快速登上交通用途的舞臺。在2000年以前主要完成了燃料電池的概念設計和原理性驗證，以概念性形式推出了燃料電池汽車，例如戴姆勒-克萊斯特的NECAR1/2/3系列氫燃料電池概念車、豐田的FCHV-1/2/3氫燃料電池混合動力概念車。在2000年以后汽車制造商開展了氫燃料電池汽車技術攻關研究，探索燃料電池汽車的規(guī)模性示范運行，例如2007—2009年本田公司的FCX氫燃料電池汽車在美國加州和日本開展示范運行，2003—2013年日產的氫燃料電池版X-Trial在美國加州、佛羅里達、加拿大開展示范運行。

2008—2011年期間，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的全球專利申請量連續(xù)5年下降。一方面，燃料電池關鍵技術處于瓶頸階段，比如燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)中的燃氣電池氫氣制取、車載存儲、氫氣供給、驅動電機技術、電子控制技術等，成為了燃料電池推向產業(yè)化規(guī)模化的難題。另一方面，2008年金融危機使得全球經(jīng)濟低迷，很多國家大幅縮減燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術的研發(fā)資金。

4.第四階段：快速發(fā)展期（2012年至今）

2012年開始，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的發(fā)展進入了快速發(fā)展期，電堆與輔助系統(tǒng)的專利申請量基本相同。隨著燃料電池汽車開始在特定用途領域，如物流、運輸、客運等，小規(guī)模商業(yè)化并取得成功，從而有效地推進了該領域技術的發(fā)展。同時，2015年以后乘用車開始面向部分區(qū)域的私人用戶銷售，初步進入商業(yè)化階段。比如，2015年豐田公司推出Mirai氫燃料電池轎車，僅限在日本、美國和歐洲銷售。燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)逐步進入了產業(yè)化階段，市場需求不斷擴大，技術發(fā)展不斷提高，這個階段進入該領域的申請人也空前增加?？梢灶A計，隨著各國大力出臺氫能和燃料電池汽車的支持政策，燃料電池發(fā)動機等技術領域對本身性能的不斷挖掘和提升，其申請量必將保持蓬勃增長的趨勢。

（二）專利技術流向分析

如圖2所示，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的專利數(shù)量最多的國家是日本，共12,320項，其次是中國和美國，分別為8,170項和4,804項，然后是韓國和德國。


圖2中、美、日、韓、德的專利技術流向圖

日本在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)領域的相關研究起步早，專利申請量占全球總申請量的33%，其中多為價值度較高的發(fā)明專利。結合各國家的專利流向情況來看，日本的申請中95%是由日本本國申請人提出的，其次為美國申請人在日本的申請，申請占比為3%，中國申請人在日本的申請量較少。豐田、本田等知名汽車企業(yè)分別在美國加州等地開展燃料電池車示范運行，并在美國布局較多專利，為占領美國市場打下堅實的基礎。其次，日本申請人在德國的占比也較多（為12%），可見德國是日本申請人的第二目標市場國。日本本土能源短缺和電子電力技術快速發(fā)展的現(xiàn)狀，以及政府相關政策和經(jīng)濟支持，使其在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術領域擁有較高的專利申請量，這奠定了日本在該行業(yè)的領先地位。

在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)領域，中國專利申請量排在第二位，其中約有88%的申請人來自中國，但大多數(shù)申請人僅在中國國內布局專利，較少開展海外專利布局，對外技術輸出較少。近年來隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，燃料電池汽車在中國越來越受到關注，日本申請人也逐漸開始擴張中國市場，申請量占比達到5%。美國、韓國和德國申請人在中國也布局了部分核心專利。

美國是燃料電池研發(fā)最早的國家，美國國家航空航天局的阿波羅登月計劃采用燃料電池為太空船提供電力和飲用水。在專利申請方面，美國專利積累量為4804項，其中52%是美國申請人。美國的市場被其他國家瓜分的現(xiàn)象比較明顯，其中日本申請人在美國專利申請量為1136項，占比為27%，另外，韓國、德國以及中國也都積極在美國市場布局相關專利。從技術輸出方面來看，美國申請人比較看重德國市場，在德國的專利申請量占比16%，另外，在中國、日本以及韓國的專利布局相對較少。

韓國與中國類似，采用的是內向型布局策略，主要立足本土進行專利申請，韓國申請人專利申請總量占比為86%。在技術對外輸出方面，三星、現(xiàn)代等重點申請人更多地是在美國進行布局，而對德國、日本和中國的關注度較低，這與美國在燃料電池汽車方面的推廣應用做得最好是離不開的，因此各國除了關注本國市場外，最為關注的是美國市場。

德國研發(fā)燃料電池汽車的企業(yè)相對較少，因此專利申請總量并不突出，僅為日本申請總量的1/6左右。德國的申請人以本土企業(yè)、美國申請人、日本申請人以及韓國申請人為主。在對外技術輸出上，德國申請人更關注美國市場。

（三）申請人分析

1.全球主要申請人分析

圖3及表1所示，在申請人排行榜前20位中，企業(yè)申請人占19個，科研院校占1個（中國科學院大連化學物理研究所，以下簡稱大連物化所）。燃料電池作為目前的熱點研究方向，商業(yè)前景好，眾多企業(yè)投入了較多的研發(fā)力量，包括國內外知名的跨國車企，積累了較多數(shù)量的專利技術。從專利技術方面的技術數(shù)量積累來看，我們可以發(fā)現(xiàn)中國企業(yè)相對落后，國外企業(yè)主要是來自日本、美國、德國和韓國。加拿大也有專利技術累積比較多的企業(yè)，例如巴拉德等。

全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)重要專利申請人主要分布在日本，專利申請量排名前20的申請人中日本申請人占有10席。日本企業(yè)（豐田、日產、本田等）在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)領域具有較明顯的集體優(yōu)勢，也涵蓋了松下、三菱、日立等電器公司和東芝、東麗、旭硝子等上游企業(yè)。豐田作為全球領先的汽車生產制造集團，于1996年就成功研發(fā)出了第一輛質子交換膜燃料電池汽車，2014年底豐田開始量產世界首款量產型燃料電池車Mirai，氫燃料電池乘用車進入市場。


圖3全球申請人排行榜

全球排名前20的申請人中，現(xiàn)代作為韓國企業(yè)排在了第4位，在全球范圍內專利申請集中在輔助系統(tǒng)尤其是空氣供給及增濕系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車2010年推出了第三代燃料電池電動汽車，即“Tucsonix”FCEV，并于2018年推出了第四代氫燃料電池車NEXO，其動力電池續(xù)航約200km，氫燃料電池續(xù)航約600km。除了汽車整車制造廠現(xiàn)代，在榜的韓國企業(yè)還包括三星和LG。三星作為綜合性的消費型電子產品集團，其對燃料電池的研究主要是將燃料電池應用于手機、電腦、家用電器等電子產品中，因此三星在該領域的專利布局主要集中在膜電極方面。

美國在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)這一技術領域全球排名前20的申請人排名中僅占據(jù)1個席位，即通用汽車，其專利申請量與松下、本田相差不大。通用汽車在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)領域的研究較早，在1990年即開始研發(fā)質子交換膜燃料電池在汽車方面的應用。2017年通用汽車推出了首個具有自主功能的靈活燃料電池平臺——SURUS，該平臺配有通用汽車最新的Hydrotec燃料電池自主系統(tǒng)和卡車底盤組件，可以提供645km航程能力。

表1主要申請人信息


德國申請人中位居全球排名前20的是戴姆勒和西門子，兩者在雙極板的專利布局相對較少。1994年，戴姆勒開發(fā)出世界上第一臺燃料電池汽車。1997年，戴姆勒集團成立了NuCellSysGmbH著眼于車用氫燃料電池動力系統(tǒng)，還有基礎建設的相關開發(fā)與研究。

在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)領域全球排名前20中共有3個中國申請人，分別是大連物化所、上海神力以及新源動力，大連物化所自上世紀六十年代開始就進入燃料電池技術領域開展研發(fā)工作，先后研制出百瓦、千瓦、5kW至50kW的燃料電池組，30kW至150kW的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，專利布局主要集中在膜電極。2001年，由大連物化所等單位發(fā)起設立了新源動力，主要從事質子交換膜燃料電池及組件的研制生產。2007年，由新源動力提供燃料電池發(fā)動機的首輛“PASSAT-領馭燃料電池轎車”研制成功。

如圖4所示，在緩慢發(fā)展期，日本的日立、東芝和富士是排在前三位的；而在發(fā)展期，這些企業(yè)地位發(fā)生了變化，發(fā)展期的前三名變?yōu)樨S田、日產和本田；在快速發(fā)展期，豐田依然保持著領先位置，而韓國企業(yè)現(xiàn)代升為第二名，日產則排在第三名?？傮w而言，日本、韓國、美國、德國的申請人以整車制造廠商為主，相關專利申請量也較高。而中國則以研究機構為主，市場化程度要低于其他國家。因此，中國的燃料電池企業(yè)應當重點研究競爭對手在燃料電池方面掌握的主要技術方向，挖掘空白技術點，積累自身核心技術的同時，在空白區(qū)域形成兼顧的技術壁壘。


圖4 全球申請人各個時期排名變化圖

2.中國主要申請人分析

如圖5所示，中國燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)專利申請量排名前20的專利申請人（包括國內和國外申請人）。豐田以648項專利申請量排在第一位，其次是通用，專利申請量為630項。由此可見通用汽車及豐田非常看重中國市場，提前進行了專利布局。另外，國外申請人現(xiàn)代、三星、日產、松下、本田、東麗、3M以及旭硝子都在中國申請了較多專利。

中國申請人排在前20的共有10位，占比達到一半。專利申請量最為突出的是大連化物所，為417項。其次是上海神力和新能源動力，專利申請量分別為257項和249項。剩下的除了成都新柯力為企業(yè)外，其他6位申請人都為高校。由此可見，中國在該領域的創(chuàng)新力量很大一部分來自高校和科研院所，中國企業(yè)的創(chuàng)新主體地位有待提高。中國高校和科研院所通過承擔多項燃料電池相關國家重大課題，形成了較好的技術積累和人才儲備。其中，上海神力在科技部、上海市政府重點培育與支持下，承擔了國家“九五”重點攻關計劃、“十五”863及“十一五”863重大攻關計劃燃料電池發(fā)動機課題，2017年華南理工大學在科技部的支持下，以牽頭單位承擔了“高性能長壽命燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的開發(fā)研制”國家重點研發(fā)項目。


圖5 中國燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)專利申請量排名圖

如圖6所示，進入中國前20名的企業(yè)或科研院校中，授權專利仍維持有效的占比與國外企業(yè)相比，有明顯的差距，這充分反映中國燃料電池專利雖然在總量上追趕國外，有了較大的增長，但同時也放棄了很多權利，造成一部分專利成為公知技術而喪失權利，該數(shù)據(jù)亦反映中國的專利質量和價值相對較低。


圖6 中國燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)專利有效性情況

（四）技術生命周期分析

圖7是燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術生命周期圖（上圖：全球，下圖：中國）。由圖7可以看出，1908—1988年全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)處于一個導入期。在這個階段，專利數(shù)量較少，大多是原理性的基礎專利，由于當時市場還不明確，研發(fā)風險較大，只有少數(shù)幾個企業(yè)參與技術研發(fā)與市場開發(fā)。且當時燃料電池被應用于航天、潛艇等領域，技術主要用于軍事領域，價格昂貴，效率不高，因此并未在民用市場獲得認可。而中國在1995年以前處于一個導入期，在這個階段，專利數(shù)量較少，申請人也較少。此時在中國申請的專利主要是國外申請人，例如日立、通用汽車等企業(yè)，在中國的布局。國內申請人還未在該領域開展研究或者開展的研究成果并未以專利的形式進行保護。


圖7燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術生命周期圖

從1989年開始，全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)進入了第一次成長期，隨著燃料電池在汽車中的應用而受到普遍關注，各大汽車廠商開始布局該領域的專利。豐田、戴姆勒等公司經(jīng)過導入期的技術積累，已經(jīng)開始進入技術攻關研究，開始探索燃料電池汽車示范運行。一直到2007年，在第一次成長期內燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)呈現(xiàn)了較為快速的發(fā)展。而中國在1995年以后才進入該領域的成長期，相對全球而言晚了6年，在此期間，專利數(shù)量不斷增加，新的申請人也不斷涌現(xiàn)。此時其他國家申請人對中國市場的關注度開始提升，專利布局持續(xù)增加，國內申請人也開始申請該領域的專利，例如1996年中科院化學研究所申請了離子交換膜相關專利。

在2008—2011年，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)由于受到金融危機的影響，出現(xiàn)了比較短暫的技術衰退期，此時專利申請量減少，申請人數(shù)量也隨之減少。由于全球經(jīng)濟大環(huán)境不景氣，該領域的技術投入也大幅下降。

而從2012年至今，全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)進入了第二次成長期，這次增速要快于第一次成長期，在近5年時間內，專利申請量出現(xiàn)了快速增長，申請人也不斷激增?？傮w來看，全球燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)正處于成長期，可以預期未來燃料電池汽車的新技術將不斷發(fā)展，市場將越來越大，競爭將更加激烈。

三、結論與建議

（一）結論

1.燃料電池發(fā)動機正處于民用推廣并進入商業(yè)化階段應用的高速發(fā)展時期，美日韓研究和應用成果最為突出，中國起步較晚，與其他國家有一定技術差距。

2.燃料電池發(fā)動機專利申請地主要集中在日本，其次依次為中國、美國、韓國和德國，日本在主要國家均有專利布局，美國是各個國家的重點專利布局對象，而中國在海外專利布局較少，且中國申請人在中國本土的表現(xiàn)尚缺明顯優(yōu)勢。

3.膜電極技術是電堆領域的研發(fā)重點，雙極板方向日漸成為研發(fā)熱點；Pt-M合金催化劑和非Pt金屬催化劑、部分氟化聚合物質子交換膜和非氟聚合物質子交換膜是未來幾年的研究熱點。目前，美國、日本和韓國已經(jīng)完成膜電極方向的階段性專利布局，而中國在膜電極方向的專利申請仍處于上升階段。

4.燃料電池發(fā)動機產業(yè)創(chuàng)新主體以企業(yè)為主，境外企業(yè)已掌握核心技術，完成大量全球專利儲備，合作情況占比較高；中國專利申請人中，科研院校表現(xiàn)相對突出，整體缺乏海外專利布局意識，合作情況占比較低。

（二）建議

1.加快國內外專利布局，防止競爭對手形成壟斷態(tài)勢

目前，國內項目研發(fā)成員大部分僅在中國國內布局專利，海外專利布局數(shù)量較少，且國內申請人在中國本土的優(yōu)勢并不明顯，在國內專利申請數(shù)量排名上，國內申請人只有大連化物所擠進前5位，其他主要板塊均被國外申請人占據(jù)。因此，必須在加大國內專利布局的同時，提高海外專利布局意識，加快著手燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的海內外專利布局，防范競爭對手壟斷態(tài)勢的形成。

此外，鑒于國內外已有大量的競爭對手，尤其部分專利與國內研發(fā)項目擬采用技術方案高度相關，因此為了避免侵權事件發(fā)生，在研發(fā)過程中，應將專利檢索、跟蹤、分析貫穿始終，包括在確定技術研發(fā)子方向階段，開展專利信息檢索和專利導航工作，利用專利檢索分析獲取技術發(fā)展趨勢，確定研究方向；立題階段，通過專利情報分析，明確研究技術路線；實施階段，根據(jù)跟蹤的專利信息情況，適時調整研究方向和技術路線，確定技術布局熱點和空白點，為專利布局提供參考；結題階段，對于未來有產業(yè)化運用前景的知識產權成果進行合理安排，最大價值地利用已經(jīng)形成的知識產權成果；產品上市階段，對既有專利權進行充分的侵權檢索，防止侵權糾紛帶來的成本損失和賠償。

2.提高專利權維持年限，充分發(fā)揮既有權限效能

境外申請人90%以上的在華專利仍維持有效，而境內申請人的專利失效情況極為嚴重，專利失效占比高達46%~59%，因此必須提高專利權維持意識，定期對既有專利權進行分析比對，結合市場及競爭對手專利布局情況篩選高價值專利有效維持，同時剔除維護成本較高但價值較低的專利。

此外，可以考慮將部分專利通過專利權轉讓、專利許可等方式轉讓給企業(yè)，降低維護成本的同時提高專利權收益。必要時，項目承擔單位應當建立對應的成果轉移轉化中心或與已有的成果轉移轉化中心對接，項目執(zhí)行過程中對研發(fā)成果進行評估，根據(jù)不同的知識產權成果，通過轉移轉化中心進行有效轉化。轉移轉化形式包括專利質押融資、專利轉讓、專利許可、專利實施等。

3.分析專利布局重點和研究熱點，把握方向實現(xiàn)短期快速提升

Pt-M合金催化劑、非氟聚合物質子交換膜和金屬雙極板技術為未來幾年內燃料電池電堆技術領域的重點專利布局對象和研發(fā)熱點，應對上述技術領域進行重點專利分析和動態(tài)跟蹤，明確競爭對手的專利布局策略和研發(fā)趨勢，從而確定研發(fā)方向。此外，可以借鑒研發(fā)熱點中的重點技術方案，在已有方案的技術上進行改進型研究，從而在短期內實現(xiàn)質或量的提升，降低時間和人力成本。

4.加強產學研合作，加速技術產業(yè)化進程

國內各研發(fā)團隊之間聯(lián)合申請專利數(shù)量較少，且項目成員與企業(yè)或科研院校的合作申請也較少，以自主研發(fā)為主，這不利于充分發(fā)揮各自優(yōu)勢和節(jié)約成本，實現(xiàn)技術短期內的快速提升。因此，國內各研發(fā)團隊應參照國外燃料電池車企巨頭，如豐田、現(xiàn)代、巴拉德等公司的研發(fā)合作模式，在加強相互之間專利合作申請的同時，加強與企業(yè)之間的研發(fā)合作，既依托科研院校強大的理論基礎研究力量，又發(fā)揮企業(yè)對市場的敏感度和方向把控優(yōu)勢，從而更好地利用技術成果，提高技術產業(yè)化幾率，并形成有效的產業(yè)鏈專利保護。