來源：第一電動(dòng)網(wǎng) ? ? ?作者：中汽院北京分院

燃料電池汽車的研究和示范關(guān)鍵在于燃料電池催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、膜電極組件、雙極板等關(guān)鍵材料批量生產(chǎn)能力建設(shè)和質(zhì)量控制技術(shù)研究。本文選取雙極板、催化劑、質(zhì)子交換膜三個(gè)重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行專利分析，分析維度涵蓋申請趨勢、國別分布、專利申請人、技術(shù)構(gòu)成等。

一 雙極板

雙極板是將PEMFC單電池串聯(lián)起來組成電池堆的關(guān)鍵部件，主要起分隔氧化劑和還原劑以及收集電流的作用，它具有以下特點(diǎn)：良好的阻氣功能；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；較低的體電阻和接觸電阻；耐腐蝕性強(qiáng)；質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、適于批量加工等。因此，雙極板不但對電池的體積、重量、成本等影響較大，同時(shí)對燃料電池的電性能也有很大的影響。有文獻(xiàn)表明，雙極板的質(zhì)量占整個(gè)電堆質(zhì)量的60%-70%，其成本占總成本的46%。

下圖是全球雙極板專利申請隨時(shí)間的變化趨勢，截至2015年9月30日，全球雙極板的專利申請總量為20863件，專利申請總體呈現(xiàn)先快速增長、后緩慢下降的趨勢，在2005年后進(jìn)入緩慢下降期。

下圖是全球?qū)＠暾堉饕獓曳植?，雙極板的專利主要集中在美國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）、日本、歐洲專利局（EPO）和中國，五大區(qū)域的專利申請量分布較為均衡，美國申請量最多，為4295件，占比21%。

全球?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥校毡?家，美國2家，德國2家，韓國1家，加拿大1家，說明日本、美國在燃料電池雙極板方面具有相對優(yōu)勢，其中日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯，豐田、本田分別以1023件、951件排名前兩位。美國企業(yè)通用位居第三。

在中國區(qū)域的專利申請中，本土申請為793件，占比32%，來華申請為1681件，占比68%。在來華申請中，申請人主要來自日本和美國。

中國區(qū)域?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥校袊馄髽I(yè)7家，國內(nèi)企業(yè)3家，通用專利申請量最多，其次為豐田、松下、三星，國內(nèi)企業(yè)中新能源動(dòng)力股份有限公司排名第五，說明國內(nèi)在燃料電池雙極板研究方面，已形成了一定的知識(shí)成果。

雙極板的技術(shù)構(gòu)成中，共分無孔結(jié)構(gòu)材料、有孔結(jié)構(gòu)材料、極板形狀、流場結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)等五部分進(jìn)行分析。如下圖所示，專利申請主要集中在材料、極板形狀、雙極板流場結(jié)構(gòu)上，其中，雙極板材料占比最高，無孔結(jié)構(gòu)材料和有孔結(jié)構(gòu)材料共同占比達(dá)62%。

在雙極板材料的構(gòu)成中，有孔結(jié)構(gòu)材料的專利申請多集中在復(fù)合材料，占39%，其次是金屬或合金，占26%；無孔結(jié)構(gòu)材料的專利申請多集中在復(fù)合材料、碳材料、金屬或合金，占比分別為31%、28%、22%。

流場的基本功能是引導(dǎo)反應(yīng)劑的流動(dòng)方向，確保反應(yīng)劑均勻分配到電極各處，同時(shí)能及時(shí)排出電池運(yùn)行過程中的生成物。而雙極板表面的流場形式?jīng)Q定了反應(yīng)氣與生成物在流場內(nèi)的流動(dòng)狀況，因此，雙極板表面流場形式對燃料電池性能及運(yùn)行效率均有重大影響。

通過對雙極板的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得知：在雙極板的流場結(jié)構(gòu)中，蛇形彎曲型專利申請量最多，占50%，其次是可變截面型和溝槽型，兩者專利申請情況相當(dāng)。

雙極板形狀構(gòu)成中，波紋型專利申請量最多，占57%，其次是管狀型和通道型，占比均為20%左右。

技術(shù)功效矩陣圖是一種對專利技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行深層次分析的有效方法。通過技術(shù)功效矩陣分析，可以一目了然地掌握“專利雷區(qū)”和“專利空白區(qū)”分布情況，可有效加強(qiáng)“專利部署”，在了解技術(shù)現(xiàn)狀、分析競爭對手和協(xié)助制定技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略方面具有重要作用。在本報(bào)告中，針對無孔結(jié)構(gòu)材料和有孔結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行進(jìn)一步的功效矩陣分析，結(jié)果如下：

無孔結(jié)構(gòu)材料中，蛇形彎曲型的專利申請主要集中在復(fù)合材料、其次是金屬/合金、聚合物；溝槽型的專利申請主要集中在復(fù)合材料，其次是金屬/合金；可變截面型的專利申請主要集中在金屬/合金、復(fù)合材料。

有孔結(jié)構(gòu)材料中，蛇形彎曲型的專利申請主要集中在復(fù)合材料、碳材料；溝槽型的專利申請主要集中在復(fù)合材料，其次是碳材料；可變截面型的專利申請主要集中在碳材料、復(fù)合材料。

二 質(zhì)子交換膜

下圖是全球質(zhì)子交換膜專利申請隨時(shí)間的變化趨勢，截至2015年9月30日，全球質(zhì)子交換膜的專利申請總量為12014件，專利申請總體呈現(xiàn)先快速增長、后緩慢下降的趨勢，在2006年后進(jìn)入緩慢下降期。

在國別分布中，專利申請主要集中在美國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）、歐洲專利局（EPO）、日本和中國，其中，分布在美國和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專利數(shù)最多，占比均達(dá)到20%，歐洲專利局和日本次之，占比為13%左右。

全球?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥校毡?家、美國2家、韓國1家、加拿大1家、德國1家，說明日本、美國在質(zhì)子交換膜方面具有相對優(yōu)勢，其中日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯，在排名前六位的申請人中，有5家為日本企業(yè)，豐田居第一位。

在中國區(qū)域的專利申請中，本土申請為49件，占比5%，來華申請為1047件，占比95%。在來華申請中，申請人主要來自日本、美國、韓國、德國。

中國區(qū)域?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥?，全部為國外企業(yè)。其中，通用、豐田、三星的專利申請量最多。

在質(zhì)子交換膜的技術(shù)構(gòu)成中，合成高分子化合物的專利申請約占76%，異相膜的專利申請約占24%。

通過對質(zhì)子交換膜的功效矩陣分析，可知：質(zhì)子交換膜的專利申請均將安全穩(wěn)定性放在重要位置。除此之外，MEA組件的專利申請還集中在提高交換效率上。

三 催化劑

下圖是全球催化劑專利申請隨時(shí)間的變化趨勢，截至2015年9月30日，全球催化劑的專利申請總量為12955件，專利申請趨勢總體可分為三個(gè)階段，先后經(jīng)歷快速增長期（1994-2003年）、平穩(wěn)發(fā)展期（2004-2011年）、緩慢下降期（2012-2015年）。

在催化劑專利申請主要國家分布中，專利申請主要集中在美國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO），其次是歐洲專利局（EPO）、日本和中國。其中，分布在美國和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專利數(shù)占比均超過20%，歐洲專利局和日本的專利數(shù)占比在12-14%之間。

全球?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥校毡?家，德國2家，韓國1家，美國1家，英國1家，說明日本、德國在燃料電池催化劑方面具有相對優(yōu)勢，其中日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯，排名前六位的企業(yè)中有5家為日本企業(yè)，且豐田居第一位。

在中國區(qū)域的專利申請中，本土申請為70件，占比6%，來華申請為1019件，占比94%。在來華申請中，申請人主要來自日本、美國，其次是韓國、德國。

中國區(qū)域?qū)＠暾埩颗琶笆纳暾埲酥?，全部為國外企業(yè)。其中，通用、三星的專利申請量最多，其次是通用和松下。

催化劑的技術(shù)構(gòu)成中，共分鉑族金屬、催化劑載體、金屬或合金、金屬氧化物、有機(jī)或有機(jī)金屬化合物等五部分進(jìn)行分析。如下圖所示，專利申請主要集中在鉑族金屬上，占比49%；其次是金屬氧化物、氫氧化物或含氧鹽，占比22%；催化劑載體、金屬或合金也占有一定的比例，在11%-13%之間。

通過對鉑族金屬的技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行分析，可以得出：鉑族金屬的專利申請主要集中在催化劑載體、合金或金屬元素的混合物兩大部分，占比分布為56%、35%。

通過對催化劑的功效矩陣分析，可知：催化劑的專利申請均將安全穩(wěn)定性放在重要位置，其次是集中在催化劑效率方面。

四 小結(jié)

（1）雙極板：

全球范圍內(nèi)專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局，美國專利申請量最多（占21%）；中國區(qū)域的專利中，本土申請占32%，來華申請占68%，國外申請人主要來自日本、美國。

在全球排名前十的申請人中，日本4家，美國2家，德國2家，韓國1家，加拿大1家，日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯；在中國排名前十申請人中，有國外企業(yè)7家，國內(nèi)企業(yè)3家，前四位均為國外企業(yè)。

在技術(shù)構(gòu)成中，專利申請主要集中在材料、極板形狀、雙極板流場結(jié)構(gòu)上，其中，雙極板材料占比最高62%。在雙極板材料中，有孔材料的專利申請多集中在在復(fù)合材料（39%）和金屬或合金（26%）；無孔材料的專利申請多集中在復(fù)合材料（31%）、碳材料（28%）、金屬或合金（22%）。

（2）質(zhì)子交換膜：

全球范圍內(nèi)專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局，美國和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專利申請量最多，占比均達(dá)20%；中國區(qū)域的專利中，本土申請僅占5%，來華申請占95%，國外申請人主要來自日本、美國、韓國、德國。

在全球排名前十的申請人中，日本5家、美國2家、韓國1家、加拿大1家、德國1家，前6位申請人中有5家為日本企業(yè)，日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯；在中國排名前十申請人中，全部為國外企業(yè)。

在技術(shù)構(gòu)成中，專利申請主要集中在合成高分子化合物領(lǐng)域，占比76%，其次是異相膜，約占24%。

（3）催化劑：

全球范圍內(nèi)專利申請主要分布在美國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織，其次是歐洲專利局、日本和中國。其中，分布在美國和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專利數(shù)占比均超過20%；中國區(qū)域的專利中，本土申請僅占6%，來華申請占94%，國外申請人主要來自日本、美國，其次是韓國、德國。

在全球排名前十的申請人中，日本5家，德國2家，韓國1家，美國1家，英國1家，日本企業(yè)集體優(yōu)勢明顯；在中國排名前十申請人中，全部為國外企業(yè)。

在技術(shù)構(gòu)成中，專利申請主要集中在鉑族金屬上，占比49%；其次是金屬氧化物、氫氧化物或含氧鹽，占比22%。

在三個(gè)重點(diǎn)技術(shù)中，雙極板領(lǐng)域的專利總量最多，其次是催化劑和質(zhì)子交換膜。各技術(shù)分支均在美國和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專利申請量最多，在中國區(qū)域?qū)＠暾堉?，雙極板領(lǐng)域的本土申請占32%，尚有一定的知識(shí)積累，但在質(zhì)子交換膜和催化劑領(lǐng)域，本土申請占比幾乎很少，大部分為國外企業(yè)控制，我國在這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)十分薄弱。

作者：中國汽車工程研究院股份有限公司北京分公司/知識(shí)產(chǎn)權(quán)項(xiàng)目總監(jiān)/孫鳳艷

文字來源: 《中國汽車產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展報(bào)告（2016）——新能源汽車》

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