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全球重点企业燃料电池汽车关键技术发展研究
2021-11-06 10:21:07· 来源：焉知氢能与燃料电池
自2000年左右第一轮燃料电池电动汽车研发高潮开始以来，以美国、日本、加拿大、德国为代表的众多发达国家的汽车企业以及相关研究机构纷纷投入巨资，组成联盟，进
自2000年左右第一轮燃料电池电动汽车研发高潮开始以来，以美国、日本、加拿大、德国为代表的众多发达国家的汽车企业以及相关研究机构纷纷投入巨资，组成联盟，进行燃料电池汽车的相关研究、实验与生产[1]。目前行业内对于燃料电池汽车的技术研发已经进入了应用基础研究的第二阶段。整体而言，燃料电池汽车目前仍然处于试验期，正式步入产业化仍面临诸多难题。燃料电池电动汽车的关键技术有两大类，一类是燃料电池系统关键技术，包括燃料电池氢气制取、车载存储、氢气供给等技术；另一类是燃料电池汽车开发中的关键技术，包括燃料电池技术、驱动电机技术、电子控制技术等。其中，燃料电池汽车的驱动电机技术、电子控制技术与纯电动汽车、混合动力汽车该领域的技术相同，本研究中对这两项关键技术不做具体分析。目前交通运输用燃料电池的类型仅仅是质子交换膜燃料电池（PEMFC)。当前全球汽车领域内的燃料电池相关企业均面对第二轮燃料电池技术研发与应用基础研究中的关键问题，即寿命与成本，两者也是制约燃料电池汽车商业应用的主要障碍。
制约燃料电池汽车商业应用的主要障碍是车用燃料电池的寿命与成本。商业化的车用燃料电池动态寿命必须达到5000小时以上，而燃料电池汽车的成本只有达到降到目前汽油发动机的价格（约合3500美元）时，才能创造较大市场效益[2]。车用燃料电池，即质子交换膜燃料电池（PEMFC)的寿命与稳定性由电池本身技术性能决定，而成本问题则由PEMFC的零部件材料成本与加工成本决定。主要材料成本包括Pt系催化剂、质子交换膜以及双极板的成本[3],加工成本则包括膜电极制作、双极板加工与系统装配的费用。车用氢气的制造与储存也是长久以来难以解决的技术问题，而储氢技术被认为是氢能利用走向实用化、规模化的关键。目前，实际可用的车载储氢或制氢技术，包括高压储氢、液氢储氢、金属氧化物储氢、吸附储氢以及车载甲醇重整制氢装置等，但这些技术都无法满足车载氢源的目标要求，即重量储氢密度6%和体检储氢密度60kgH2m-3[4]。
本研究通过专利从宏观以及重点专利具体剖析两个角度探索丰田、通用两家公司在燃料电池汽车领域内的重点技术发展路线与专利布局策略，分析全球领先的燃料电池汽车关键技术发展方向。
1 主要市场重点企业选择
1.1 申请国家市场分布
燃料电池汽车的发展在很大程度上受到当地政府相关政策与直接经济支持、本地相关技术发展情况、技术成本控制的直接影响，归根结底即技术的发展情况可以从当地的市场情况直接放映出来。表1中列出的燃料电池技术专利申请国家中，日本与美国分别在质子交换膜燃料电池、燃料电池系统、车载制氢三大领域中位列第1位和第2位，燃料电池技术的专利申请分布在本国的占比超过了全球专利申请分布的50%;在表2中列出的燃料电池技术来源国家中，日本、美国同样在三大领域中分别位列第1位和第2位，并且在三大领域的技术量全球占比中，两国的技术占比总和均超过了50%。可见，日本与美国在燃料电池技术的投入较大，专利申请量较大也说明两国对于相关技术的专利申请与布局十分的注重；两国燃料电池技术专利在日本与美国的申请量可观，说明这两个国家是燃料电池汽车发展的主要市场。在地政府相关政策方面，自2002年以来，在日本政府的支持下，燃料电池相关技术开发的经费逐年增加，2005年达到最高约620亿日元[5];美国自2001年开始迄今已形成了较完整的推进氢能发展的国家法律、政策和科研计划体系,以引导能源体系向氢能源过渡，并计划到2015年,美国新采购的公交汽车中有10%为燃料电池公共汽车[6]。因此，分析日本与美国内燃料电池汽车领域内综合实力较强且相关技术发展情况领先的车企,对分析燃料电池汽车关键技术具有指导意义。
1.2 主要市场重点企业
燃料电池技术专利申请量中排名前10位的企业中，日本企业占了7席，其中整车厂包含丰田、本田、日产，美国仅通用占1席。日本企业在燃料电池技术中具有集体优势，其中丰田汽车公司是全世界排名第1的汽车生产公司，是第1个达到年产量千万台以上的车厂，1996年成功研发出丰田公司的第一辆质子交换膜燃料电池汽车。通用公司是美国数一数二的汽车公司，历史悠久、技术实力雄厚，其开始燃料电池汽车的研究较早，1990年即开始研发PEMFC在汽车方面的应用。
丰田当前正在大力开发氢燃料电池，将其作为未来新能源车重点发展方向之一。丰田公司于2011年在东京车展上展出了FCV-R氢燃料电池概念车，燃料电池新车FCV将于2015年正式推出，将使用70MPa的氢燃料箱，纯电动驱动，续航里程达到700km，预计其成本将比当前减少95%左右，或者缩减为现在的1/20,使商业化成为可能[7]。美国通用汽车公司确立了要成为全球第一家年产百万辆燃料电池汽车公司的目标，2005年研发的ChevroletSequel燃料电池汽车一次加氢后行驶里程达480km，其中燃料电池组能在-20°C启动，15s内达到满功率运行。公司还计划在2007年秋季建立全球最大的超过100辆ChevroletEquinox型燃料电池汽车示范车队，在加利福尼亚州、纽约市区和华盛顿特区运行，以取得不同的环境和驾驶条件下的实际运行经验[8]。
从专利占有量方面来看（见表3)，丰田、通用公司在燃料电池汽车技术的三大核心技术方面的专利量均在全球排名靠前，在质子交换膜燃料电池、燃料电池系统领域内丰田和通用公司均位列前十，通用公司在车载制氢领域内的专利量略少，说明其在车载制氢领域内的技术投入相对于其他两个方面稍少，而丰田公司在燃料电池技术的三大领域内均位列第一。综合考虑主要市场汽车企业的综合技术实力，燃料电池汽车发展现状以及专利量的分布情况，在日本和美国两地分别选择丰田与通用公司作为重点企业对其进行技术深入分析。
2. 全球重点企业燃料电池汽车技术发展宏观分析
2.1 丰田技术布局与技术阶段走向分析
通过研究丰田公司燃料电池汽车专利布局，发现丰田公司在燃料电池汽车方面分布有较多技术重点、专利申请热点，在整个燃料电池汽车领域里的布局也比较全面，在各个重点分支均有技术研究重点。其中，质子交换膜燃料电池分支中技术集中的方向有膜电极、催化剂、质子交换膜及相关制造方面、电解质聚合物及其相关技术、电流转换、电压控制方面，同时丰田公司也十分注重与上述技术布局联系紧密的检测与诊断手段的技术专利布局；在燃料电池系统方向，技术主要集中在冷却系统、燃料供给、氧化剂供给、流体管道方面；车载制氢方向的专利量虽然相对于其他两个方面较少，但整体布局也有侧重，技术主要集中在分离器、储氢、气体重整以及相应的管道系统方面。经研究表明，丰田在燃料电池汽车开发领域中，对动力电池及电机控制方面的技术也较为注重，例如电压输出、功率提高、燃料电池功率稳定性等方面，这几个技术点的研究也正是全球燃料电池汽车正在重点研发的技术热点。
近年，全球燃料电池汽车领域在膜电极催化剂方面的整合开发与净化装置的研究都是以降低催化剂成本与延长使用寿命为出发点；在电解质方面的研究重点则是获取具有良好离子导电性，适合于质子交换膜工作环境的电解质；稳定电压的输出、电机控制均是为了提高燃料电池工作稳定性与燃料电池汽车输出功率。以上可以看出，丰田公司的几大重点技术均为全球燃料电池汽车的技术热点与难点，从丰田公司已取得的燃料电池汽车领域内的成绩来看，在燃料电池汽车的几个关键技术领域上，丰田公司已取得了非常大的突破。
本研究将丰田公司在燃料电池汽车领域内的专利技术分布情况分为4个阶段进行分析，阶段1-阶段4分别代表1993-2000年、2001-2004年、2005-2008年、2009-2012年间。
阶段1中，丰田公司的技术主要集中在电极催化剂、电解质以及储氢方面，即丰田公司最开始进行燃料电池汽车的相关研发时，将技术重心放在了燃料电池关键基础技术上，作为燃料电池汽车研发的基础与核心。
阶段2时间内的专利数量明显增加，丰田公司赶上了全球第一波燃料电池汽车研发热潮，此阶段内，丰田公司的技术热点布局广泛，在电解质聚合物、催化剂、储氢方面均加大研发力度并同步进行相关技术专利布局。除了保持关键基础技术的深入研究外，也加大了在分离器、水蒸气重整、循环冷却方面的研发力度，说明此时丰田公司在催化剂以及电解质技术中有了一定的技术突破，逐渐克服了国际燃料电池技术的技术瓶颈，分离器、水蒸气重整、循环冷却方面的技术研发，可以有效改善Nafion系列质子交换膜需水的工作环境，提高质子交换膜燃料电池的工作效率、稳定性以及寿命。
阶段3时期内，丰田公司在燃料电池汽车方面的专利拥有量飞速增长，此阶段的技术分布情况与阶段2几乎是相同的，得到大力发展的技术是膜电极催化剂、质子交换膜、分离器及相关方向、电解质相关方向以及水蒸气重整。从2000年全球爆发燃料电池汽车研究高峰开始，丰田公司始终坚持大力度的对质子交换膜燃料电池核心基础技术的研发与改善，同时将部分研究重点分散在电压输出、电机控制方面，目的是为提高燃料电池汽车的输出功率。与巴拉德公司在1997-1999年期间着力将质子交换膜燃料电池汽车的输出功率从160kW提高到250kW的技术路线一致，也可推断出在此期间，丰田公司在质子交换膜燃料电池技术上已攻克了部分技术难题。阶段3时期内，储氢方面的专利几乎没有增加，这是丰田公司也是全球燃料电池汽车行业遇到的又一大技术瓶颈，有效安全的储氢方式是至今仍没有解决的技术难点。
阶段4时期内，全球各国，尤其是亚洲、美洲、欧洲各国、各组织纷纷提出要大力发展新能源汽车，政府及相关组织也都提出了诸多的优惠鼓励政策来发展新能源汽车。作为最具发展潜力的燃料电池汽车，在此阶段获得了良好的发展环境。但从丰田公司在燃料电池汽车领域的专利申请量及布局情况来看，此阶段相较于飞速发展的阶段3,专利申请趋势明显缓和，但技术集中性却更加明显，主要集中在膜电极催化剂、电解质及其相关方向、电压输出与电机控制方向。其技术方向并没有发生转变，说明丰田公司目前主要在进行这些基础技术的进一步改善，寻求寿命延长、稳定性提高、成本降低最根本的改善方法，以实现市场化目标。
2.2 通用技术布局与技术阶段走向分析
通用公司在燃料电池汽车方面的专利分布相较丰田公司要更加集中，主要分布在质子交换膜燃料电池领域的电极、电解质方面，其他的技术要点则分布在与燃料电池系统相关的燃料供给、氧化剂供给、冷却系统、气体通道以及电池与电压控制等方面，只有小部分专利分布在车载制氢的气体净化、储氢方面，与丰田公司的技术分布情况大致吻合。
本研究将通用公司在燃料电池汽车方向的专利分为1993-2000年、2001-2004年、2005-2008年、2009-2012年4个时间段，按照时间顺序分为阶段1-阶段4。通用公司在阶段1期间，专利量少但技术研发集中，几乎全分布在燃料电池系统各相关技术要点下，主要包括净化系统方面的气体净化与重整，氧化剂供给方面的供给系统、压力控制以及水热管理方面的系统冷却、相关管道等技术点。通用公司自1990年开始重点研发PEMFC在汽车上的应用，但其阶段1的研发重点集中在燃料电池系统上。阶段2时期，通用公司的研究重点仍然集中在燃料电池系统中的气体净化与重整、冷却系统方面，在质子交换膜燃料电池领域开始有了一定的布局，主要集中在电极相关技术。
通用公司的技术点分布情况在阶段3略有变化，燃料电池系统方面的冷却系统以及质子交换膜燃料电池方面的电极、电解质方面的专利申请量相比于阶段2没有太大变化，而在气体净化、重整方面，通用公司的专利申请明显减少。同时，加大了在气体通道、电压检测、储氢方面的技术研究。在车用氢气来源的选择上，通用公司有从车载制氢转向于高压储氢的趋势。阶段4与阶段3时期的技术布局相同，在冷却系统、电极、电解质方面发展稳定;在气体净化、重整方面，通用公司保持少量技术布局；气体通道、电压检测、储氢方面的专利拥有量相较于阶段3没有明显的变化。
3 燃料电池汽车核心专利技术分析
3.1 丰田汽车公司
丰田公司的核心专利排名中前15位的大都是燃料电池技术的相关专利，其中涉及了电解质优化与制造、燃料供应与氧化剂供应的气体通道与相应的排气通道设计、输出电压的控制、电池效率的提高、电池相关结构设计与制造、储氢等。通过丰田公司专利分布的总体分析，丰田公司在每个专利热点区域均有相应的核心专利，其余的专利布局也围绕着核心专利而展开的，采用了网状的专利布局结构。丰田公司的核心专利还有另一个分布特点，多达8条核心专利都集中在燃料电池汽车功率提高相关技术点上，说明丰田公司在对提高燃料电池输出功率的相关技术上已有相当的技术优势。而在专利申请量可观的质子交换膜燃料电池领域内分布的核心专利相对较少，且分布在电解质、膜电极、催化剂、储氢方面。
丰田公司排名首位的专利JP2001118591A,由于年均被引频次排在首位，且申请时间相对于丰田公司的其他核心专利来说时间较早，因此值得做深入的引证分析，从而掌握围绕此核心专利的技术特征及发展趋势。该专利的新颖性是使得电解质的耐久性得到增强，防止了电解质的分解，相关的电解质膜具有优良的抗氧化性，从而使昂贵的催化剂被淘汰，获得了较好的经济性。丰田公司对于此专利技术的发展路线如图1所示。
丰田公司核心技术的技术发展方向，也与其专利布局形式相似，采用了技术包围的方式。对于核心基础技术，丰田公司首先对其进行改进优化，紧接着即逐步研究与该基础技术相关的其他基础技术，力图掌握与之紧密相关的技术区域，技术逐渐成熟之后，便立即发展相应的先进制造技术，将整个技术链串联起来。同时，丰田的技术研发过程中十分注重成本的控制，以便有效地实现市场化目标。
3.2 通用汽车公司
通用公司的核心专利均布在燃料电池技术与燃料电池系统关键技术领域内，其中涉及了热管理系统、气体通道、燃料供给、催化剂、膜电极、电解质、质子交换膜以及动力控制；而车载制氢方面的核心专利与储氢相关。通用公司15件核心专利中，多达8件涉及了质子交换膜燃料电池核心基础技术，通过上文中通用技术布局与技术阶段走向分析可知，通用公司自1993年来，鲜少在质子交换膜燃料电池领域内进行重点专利布局，但其被频繁引用的质子交换膜燃料电池相关核心专利中，包含膜电极制造基础技术、电解质、质子交换膜以及膜电极的改进技术。由此可见通用公司在质子交换膜燃料电池领域内已积累了一定的技术实力，掌握了该领域的核心技术。我国研究人员在进行燃料电池技术研发的企业单位可以重点研究通用公司在质子交换膜燃料电池领域内的核心专利，摸索出重点技术的改进研发过程。
通用公司排名首位的专利US6099984A描述了一种具有蛇形气体通道的燃料电池，该通道可以防止气体从流道中的某部分到下一个与之相邻的流路之间的短路现象。年均被引频次位列首位，申请时间早，因此值得做深入的引证分析，从而掌握围绕该核心专利的技术特征及发展趋势。
通用公司对专利US6099984A的自引专利量为35件，对已有的蛇形流场通道进行了大量包括流场结构、流量控制、压力控制在内的技术优化与改进，使得燃料电池效率、稳定性以及使用寿命得到不断的提高。其技术路线图如图2所示。
通用公司核心技术的技术发展方向，也与其专利布局形式相似，采用了技术点细化并发散应用，改进技术包围基础技术的方式。将与该通道技术相关联的，涉及冷却剂、双极板内通道、燃料与氧化剂通道同时进行改进。在蛇形通道核心专利的后续开发中，通用公司不断细化双极板中蛇形流场通道中的流场、流量、压力、冷却效率、进口设计相关技术，同时涉及其他与之紧密相关的密封、电阻、导电元件等技术开发，力图掌握蛇形流场通道相关的技术难点与要点，解决一系列流场通道问题，以获取更高的燃料电池效率与工作稳定性，同时在专利布局中形成该技术点的一小片技术壁垒。
4. 结语
通过对全球燃料电池领域内重点企业丰田公司、通用公司做的宏观集中技术分布变迁分析与重点核心专利的技术发展过程具体分析，归纳出以下国际燃料电池汽车关键技术发展方向与专利布局战略：
(1) 丰田与通用公司拥有的核心技术中与成本直接相关的基础技术均包含质子交换膜、催化剂、膜电极以及与之相关的制造技术，而在双极板技术领域内的布局略少；两家企业中涉及提高燃料电池寿命与稳定性的技术主要包括电解质优化、热管理系统、气体净化与重整；优化燃料电池系统性能的技术则涉及流场通道设计、燃料供给、氧化剂供给、储氢；在燃料电池在汽车的应用方面，主要涉及电池电压输出稳定性、输出功率提高、电机相关技术。以上两家企业的技术发展重点同样也是全球燃料电池汽车的发展重点与难点，中国企业在发展燃料电池汽车技术时，需首先重点研究这些涉及成本、寿命、实际应用问题的关键技术中。
(2) 从技术分布的宏观方向来说，丰田公司注重燃料电池汽车领域内技术的全面发展，在各个重要技术领域都有相当数量的专利分布，从专利申请情况来看其热点、核心技术的关联性较强，形成了网状的专利与技术布局结构；通用公司开始比较注重发展燃料电池技术在车辆上的实际应用，在燃料电池系统方面的技术布局密集，且技术间关联性强。从重点核心专利的自引分析中可看出丰田、通用公司的总体技术思路：从基础核心技术研发出发，并不断对基础核心技术进行改进优化，技术成熟时,即发展相关的低成本、高精度、标准化的制造技术,同时对以此基础核心技术为基础的、影响范围内的相关技术做改进优化。
我国企业在进行燃料电池汽车技术的研发时，在宏观方向上应首先发展具有决定性地位的质子交换膜燃料电池技术，当电池技术发展到了一定的成熟期时，再着力研发质子交换膜燃料电池在燃料电池汽车上的应用技术，应用实现之后再综合考虑燃料电池技术以提高整车输出功率。在具体技术的研发过程中，可以采取丰田与通用公司技术路线相结合的方式，注重技术点之间的关联性，多方面研究探索，实现技术难点的各个击破。同时，也要注意在全球的专利布局，对已有的技术壁垒采取改进技术合围的方式突破技术壁垒。
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