基于专利的固体氧化物燃料电池技术趋势分析

关键词 | 固体氧化物燃料电池  技术趋势  

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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种在高温下将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、燃料适应性强来源广泛、对环境友好等优点。通过分析19[隋1] 90年以来国内外高温固体燃料电池专利情况，从专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局等角度，研究了SOFC领域的技术关注重点、应用情况及技术发展趋势。现阶段高温固体燃料电池技术市场已进入快速发展期，国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性，国内则主要集中在突破电堆关键技术、核心部件国产化及示范工程建设。

燃料电池具备体积小、效率高、清洁无污染等特点，被认为是未来最具前景的能量转化技术之一。其中高温型固体氧化物燃料电池（SOFC）技术可以直接采用甲烷等碳基燃料应用到分布式能源系统中，既可用作中小容量的分布式电源（500kW～50MW），也可用作大容量的固定式电站（＞l00MW）。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，可使SOFC的优越性进一步得到体现。基于燃料电池的微型热电联供系统可实现能源的梯级利用，具有较高的热、电效率，系统效率可达到85%～90%，同时具有污染物和温室气体排放少、噪音低等优点，其系统环境友好，CO₂排放仅为传统能源系统的30%～50%，同时可以降低环境电力高峰负荷，提高供电的安全性。另一方面，SOFC也可直接利用家用天然气，在离网条件下持续供应电能，在具有较高发电效率的同时，也可利用发电过程中产生的余热供应给用户，进行热电联供。

SOFC技术虽然持续不断在发展进步中，但目前市场商业化应用的SOFC发电系统还非常少，仅欧美几家公司有商业化的SOFC发电系统，其存在的主要技术问题为可靠性和稳定性，且由于国内产业配套不足，导致我国SOFC商业应用始终滞后于世界先进水平。随着国家政策在燃料电池领域的扶持力度越来越大，相信燃料电池及高温燃料电池的推广应用，将迎来一个好的契机。本文通过分析高温固体燃料电池技术领域专利，分别研究了该技术领域的研究状况及技术关键点、应用情况及技术未来发展趋势，期望研究成果可有效指导我国SOFC技术领域研究方向，有效推进国内高温燃料电池产业发展进程。

一、高温燃料电池专利申请趋势分析

通过对Patsnap数据库中1990年以来美国、欧洲、日本、韩国、中国等126个国家/地区的SOFC领域专利进行检索，经过筛选去噪后选出3078条相关专利进行重点分析，以研究SOFC技术及产业发展重点和未来发展趋势。

由近30年内专利申请及授权数据得到的专利申请趋势如表1所示。从技术的可持续发展性和技术开发量上看，2012年固体氧化物燃料电池技术专利申请及授权量达到高峰，总体专利申请量处于一种回旋上升状态，且近几年均处于较高位状态，行业总体处于成长期。此外通过分析该技术领域主要技术分支的占比情况，可以进一步了解各技术分支的创新热度以及当前技术布局的空白点。根据IPC国际专利分类号类别统计SOFC专利技术聚焦点，详见表2。如表2所示，当前的研究热门方向主要集中于：

（1）H01M8燃料电池；及其制造。

（2）C01B3氢；含氢混合气；从含氢混合气中分离氢；氢的净化（用固体碳质物料生产水煤气或合成气入C10J）。

（3）F02C6复式燃气轮机装置；燃气轮机装置与其他装置的组合（关于这些装置的主要方面见这些装置的有关的类）；特殊用途的燃气轮机装置。

综合来看，目前对于SOFC技术关注点主要集中在固体氧化物燃料电池的制造工艺、原料气的净化、SOFC+GT的应用3个大方向，也是国内应重点关注和发展的技术焦点。

表1  SOFC技术专利申请趋势

表2  SOFC专利技术聚焦点统计

二、专利申请人分析

固体氧化物燃料电池领域内主要申请人专利总量的整体对比见表3。排名前10位的主要技术开发公司皆为国外企业。从技术商业化的视角看，美国、欧洲、日本等发达国家和地区在固体氧化物燃料电池技术方面一直处于世界领先地位，经过几十年的技术研发和攻关，已经基本实现了固体氧化物燃料电池技术的商业化运行，发展出多家具有特色技术的固体氧化物燃料电池企业。

表3  高温固体燃料电池领域排名

前10位专利申请人及数量

但由于近年来国内对于燃料电池产业发展的大力扶植，近5年新进入SOFC领域进行技术研发的主要研究者以中国高校和企业为主，详见表4。政策上是由于国家《“十三五”国家科技创新规划》和《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》等将IGCC/IGFC列为重要内容和发展目标。2017年，我国启动了面向2030年重大科技项目，其中明确要求完成基于IGFC发电关键技术研发和工程示范。

表4  近5年新进入申请人及专利数量

通过提取SOFC领域内主要专利申请人的专利关键词，可以更深入地了解该技术领域内主要公司相关的技术概念，借此区分不同公司的技术焦点。同时通过分析该技术领域的主要申请人持有专利的数量，对技术集中度进行分析，其中技术集中度的定义为申请总量排名前10位的申请人的专利申请量占该领域专利申请总量的比例。

从技术点垄断情况看，技术布局最多的方向关键词有“燃料电池”和“固体氧化物”，但各技术聚焦点尚未被任一企业实现完全技术垄断。而排名前5位的公司在这些技术聚焦点的占比也并不高。由图1可知，SOFC相关的技术集中度大约在30%以上，相对而言技术垄断度不高，这也证实了SOFC领域参与研发的主体多，技术未被少数公司垄断。

图1  高温固体燃料电池技术集中度

虽然在产业初期，研发投入折算的成本非常高，但可以看到SOFC整个行业的技术研发已经迈入了成长期。总体来讲，在全球范围内，SOFC技术领域的主要研发团队为国外的企业或者高校团队，中国的技术研发主体相对弱势。在基础研究方面，国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性。中国则起步较晚，尚处于初步探索阶段，且国内大部分高校或企业多数为单兵作战，致使相关基础研究较为分散，虽然有科研项目支持，但未完全形成合力，未能形成良好的理论和技术体系，因此产业进展也相对缓慢。相比之下，欧洲、日本和美国各企业之间商业合作频繁，技术互补，发展迅猛。但国内自“十四五”以来，固体氧化物燃料电池正在被众多企业重视，并在该技术领域投入了大量力量，发展前景明朗，且近5年新进入的主要研发主体以国内的高校和企业为主，国内固体氧化物燃料电池技术正在进入快速发展期。

三、专利地域布局及趋势分析

固体氧化物燃料电池专利申请的地域分布比例如表5所示。通过分析高温固体燃料电池的地域分布，可以反映出该技术领域在不同国家和地区的发展程度及潜在技术商业化应用的市场分布。

表5  专利申请地域分布比例

从总体技术申请及市场布局的数据来看，技术来源排名为美国>中国>日本；技术市场布局的排名为美国>中国>日本。目前，关于SOFC相关技术领域的第一大技术来源国和目标市场均为美国，其次是中国，技术研发量遥遥领先于全球其他地区，说明美国和中国的SOFC技术市场空间足够大。但可以注意到，美国的技术应用远低于其技术开发，这说明美国的研究主体进行了大量的海外布局，有大量技术和技术标准输出到美国以外的国家中。相反，我国在SOFC领域专利、论文数量众多，但主要偏向于新材料方面，与实际应用相结合的关键技术研究相对薄弱，同样致使产业化进程缓慢。

表6展现了中、美、欧、日、韩五大SOFC领域专利来源及应用地区的技术发源和市场布局情况，可以反映出各技术来源国除所属国之外的应用目标市场。

表6  中美欧日韩专利地域布局数量

整体上看，5个国家之间相互都有对应的技术应用,中国和美国在技术数量上占据领先地位，整体上看各国的企业都在本国布局最多。相比而言，中国的海外布局少，说明中国的市场发展空间还比较大，并没有达到饱和。另外美国和日本在国内外布局的技术数量相差不多，说明两国在SOFC的相关技术上均占优势，在国内发展的同时也进行技术输出。

表7为国内各省在SOFC领域的专利分布比例。中国各省创新能力的排名是：北京>江苏>浙江，主要研究城市集中在较发达城市，北京是排名最靠前的省份，创新能力和活跃度最高，同时也是技术研究增长幅度最大的地方。

结合各省对燃料电池的鼓励政策来看，包括北京、上海、江苏、辽宁等10余个省份均出台了相关政策以支持燃料电池汽车产业的发展，主要通过建立示范城市、产业园，并积极鼓励相关企业发展的形式进行。基本上推出鼓励政策多的省份和燃料电池领域专利申请数量多的省份一致，可见鼓励政策对产业的影响和推动具有显著作用。

表7  国内各省专利分布比例

四、高温固体燃料电池技术发展趋势分析

表8为SOFC固体氧化物燃料电池专利功效及其对应技术手段的数量分布,从表中可以看出，管式和平板式SOFC在专利申请上保持在统一水平线，而在SOFC燃料电池技术中，发电系统的设计和优化相关专利申请量最多；管式或平板式SOFC的连接体或密封材料的专利申请量最少。

另外，从管式SOFC和平板式SOFC发展趋势上来看，目前管式SOFC的研发目标主要是降低电堆的制造成本和提升输出功率密度；在现有各种管式SOFC基础上，简化扁管式和瓦楞式的制备工艺，提升扁式和瓦楞式的成品率，以及解决锥管式、蜂巢式及微管式的集电问题。而平板式SOFC则聚焦于解决高温封困难、热循环性能及长期可靠性差的问题。

从不同应用场景的角度出发，SOFC+GT的联合循环发电的专利申请最多，其次是SOFC热电联产的专利申请量较多，SOFC的分布式发电和可逆储能技术的专利申请量都相对较少。

表8  SOFC专利功效及对应技术手段数量分布

件

从整体来看，国内固体氧化物燃料电池在产业化方面仍与国外差距巨大，处于产业发展初期。虽然经过了20多年的技术积累，国内已经基本掌握了固体氧化物燃料电池关键材料的制备技术和大面积单电池的量产技术，但技术力量不强，特别是由于核心电堆的一致性、可靠性以及低成本技术未完全突破，加之国产高温系统辅助部件缺失，我国目前尚无公开报道长期运行的固体氧化物燃料电池商业化系统，SOFC的应用研究仍然主要集中在突破关键技术及建设示范工程上。

此外，通过对比近5年和近10年专利技术焦点及技术创新关键词的变化，可以分析国内SOFC固体氧化物燃料电池技术发展变化趋势。随着技术和市场的不断发展，SOFC的研究从10年前大部分研发力量只集中在材料、装置零部件和气体的处理上，到近5年开始已有很大一部分研发力量转向燃料电池系统、运行方法等技术研究，说明SOFC这一领域逐渐开始从基础理论和实验研究过渡到工业化和商业化阶段的应用领域研究。此外，对于SOFC的发电装置及部品部件的研究热度仍然不减，说明对于SOFC发电装置的优化和创新是推进SOFC固体氧化物燃料电池商业化的关键因素。

五、结论

本文通过检索分析近30年国内外高温固体燃料电池专利申请情况，从专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局等方面分析了高温固体燃料电池领域研究重点和应用情况，并通过分析专利技术功效研究了高温固体燃料电池技术的发展问题和发展方向，得到的主要结论为：

1.现阶段高温固体燃料电池技术已进入快速发展期。国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性方面，中国则起步较晚，尚处于初步探索阶段。

2.在全球范围内，SOFC技术领域的主要研发团队为国外的企业或者高校团队，欧洲、日本和美国各企业之间商业合作频繁，技术互补，发展迅猛;中国近5年在SOFC固体氧化物燃料电池技术领域投入了大量力量，技术研发主体为高校或企业，但多为单兵作战，未完全形成合力。

3.从专利保有量来说，国内在专利数量上已经处于第一梯队，与美国、日本并驾齐驱，但技术力量不强，核心电堆技术未完全突破，且高温系统辅助部件国产化仍有缺口，固体氧化物燃料电池的应用研究仍主要集中在突破关键技术及建设示范工程。

国内经过多年的技术积累，已在SOFC关键材料、制备技术及单电池量产方面取得了一定突破，但仍存在基础研究较为分散、重复性工作以及研究主体未完全形成合力等问题，尚需继续完善并形成良好的理论和技术体系。但也能看到近5年我国在高温固体燃料电池领域发展迅速，已逐步过渡向应用领域的研究。相信随着对SOFC系统及部件的优化和创新，各研究主体根据SOFC示范工程的应用场景将会产生更多的竞争和合作，并有效推进固体氧化物燃料电池商业化进程。

来源 ：《现代化工》2024年第3期

作者 ：隋依言，姚辉超，王秀林，张雨晴，卢璐

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