必读内参：全球燃料电池汽车重点技术多维度专利分析

来源：第一电气网作者：中国汽车研究院北京分院

燃料电池汽车研究与示范的关键在于燃料电池催化剂、质子交换膜、复写纸、膜电极组件、双极板等关键材料的量产能力建设和质量控制技术研究。本文选取双极板、催化剂和质子交换膜三项关键技术进行专利分析，分析维度涵盖应用趋势、国家分布、专利申请人、技术组成等。

双极板

双极板是PEMFC单电池串联成电堆的关键部件，主要起到分离氧化剂和还原剂以及收集电流的作用。它具有以下特点：良好的气体阻隔功能；良好的导电性和导热性；低体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；重量轻，强度高，适合批量加工。因此，双极板不仅对电池的体积、重量和成本有很大影响，而且对燃料电池的电气性能也有很大影响。文献表明，双极板的质量占整个电池组的60%-70%，其成本占总成本的46%。

下图显示了双极板全球专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球双极板专利申请总量为20863件，整体专利申请呈现先快速增长后缓慢下降的趋势，2005年后进入缓慢下降期。

下图显示了世界主要国家的专利申请分布情况。双极板专利主要集中在美国、世界知识产权组织（WIPO）、日本、欧洲专利局（EPO）和中国。五个地区的专利申请分布相对均衡，其中美国的申请数量最多，占21%。

在全球前十大专利申请人中，日本有4个，美国有2个，德国有2个、韩国有1个、加拿大有1个，表明日本和美国在燃料电池双极板方面具有比较优势，其中日本企业具有明显的集体优势，丰田和本田分别以1023个和951个位居前两位。美国通用汽车公司排名第三。

在中国的专利申请中，本地申请793件，占32%，中国申请1681件，占68%。在向中国提出的申请中，申请人主要来自日本和美国。

在中国前十名申请人中，有7家外国公司和3家国内公司，一般专利申请数量最多，其次是丰田、松下和三星，而国内公司新能源动力有限公司排名第五，表明国内对燃料电池双极板的研究已形成一定的知识成果。

在双极板的技术组成中，它分为五部分：无孔结构材料、多孔结构材料、板形、流场结构和散热结构。如下图所示，该专利申请主要关注双极板的材料、板形和流场结构，其中双极板材料占比最高，非多孔结构材料和多孔结构材料合计占62%。

在双极板材料的组成中，多孔结构材料的专利申请大多集中在复合材料中，占39%，其次是金属或合金，占26%；

非多孔结构材料的专利申请大多集中在复合材料、碳材料、金属或合金中，分别占31%、28%和22%。

流场的基本功能是引导反应物的流动方向，确保反应物均匀分布在电极的各个部分，同时及时对电池运行过程中的产物进行放电。双极板表面的流场决定了流场中反应气体和产物的流量，因此双极板表面流场对燃料电池的性能和运行效率有很大影响。

通过对双极板流场结构的分析可知，在双极板的流场结构中，蛇形弯曲型的专利申请数量最多，占50%，其次是变截面型和凹槽型，两种类型的专利申请相当。

在双极板形状中，波纹状专利申请最多，占57%，其次是管状和通道型，约占20%。

技术功效矩阵图是深入分析专利技术内容的有效方法。通过技术效能矩阵分析，我们可以一眼掌握“专利雷区”和“专利空白区”的分布情况，可以有效加强“专利部署”，对了解技术现状、分析竞争对手、协助制定技术发展战略发挥重要作用。本报告对无孔结构材料和多孔结构材料进行了进一步的功效矩阵分析，结果如下：

在无孔结构材料中，蛇形弯曲的专利申请主要集中在复合材料上，其次是金属/合金和聚合物；凹槽型的专利申请主要集中在复合材料上，其次是金属/合金；可变截面的专利申请主要集中在金属/合金和复合材料上。

在多孔结构材料中，蛇形弯曲的专利申请主要集中在复合材料和碳材料上；凹槽型的专利申请主要集中在复合材料上，其次是碳材料；

可变截面的专利申请主要集中在碳材料和复合材料上。

0

双质子交换膜

下图显示了全球质子交换膜专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球质子交换膜专利申请总量为12014件，整体专利申请呈现先快速增长后缓慢下降的趋势，2006年后进入缓慢下降期。

1

从国家分布来看，专利申请主要集中在美国、世界知识产权组织、欧洲专利局、日本和中国。其中，美国和世界知识产权组织分布的专利数量最多，占20%，其次是欧洲专利局和日本，约占13%。

2

在全球前十大专利申请人中，日本有5家，美国有2家，韩国有1家，加拿大有1家和德国有1家。这表明日本和美国在质子交换膜方面具有比较优势，其中日本企业具有明显的集体优势。在前六名申请者中，有5家是日本企业，丰田排名第一。

3

在中国的专利申请中，本地申请49件，占5%，中国申请1047件，占95%。在中国的申请中，申请人主要来自日本、美国、韩国和德国。

4

在中国排名前十的申请者中，他们都是外国企业。其中，通用汽车、丰田和三星的专利申请数量最多。

5

在质子交换膜的技术组成中，合成高分子化合物的专利申请约占76%，非均相膜的专利申请占24%左右。

6

通过分析质子交换膜的功效矩阵，我们可以知道质子交换膜专利申请将安全性和稳定性置于重要地位。此外，MEA模块的专利申请也侧重于提高交换效率。

7

三种催化剂

下图显示了全球催化剂专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球催化剂专利申请总量为12955件，专利申请趋势可分为三个阶段，包括快速增长期（1994-2003年）、稳定发展期（2004-2011年）和缓慢下降期（2012-2015年）。

8

在催化剂专利申请的主要国家中，专利申请主要集中在美国、世界知识产权组织（WIPO），其次是欧洲专利局（EPO）、日本和中国。其中，美国和世界知识产权组织的专利数量占比超过20%，欧洲专利局和日本的专利数量则占比12-14%。

9

在全球前十大专利申请中，日本5件，德国2件，韩国1件，美国1件，英国1件，说明日本和德国在燃料电池催化剂方面具有比较优势。其中，日本公司具有明显的集体优势。排名前六的公司中有五家是日本公司，丰田位居第一。

0

在中国的专利申请中，本地申请有70件，占6%，在中国的申请有1019件，占94%。在中国的申请中，申请者主要来自日本和美国，其次是韩国和德国。

“丰田，北京，本田”src=“/eimg/jndp/ig/202303040209091624/22.jpg”/>

在中国排名前十的申请者中，他们都是外国企业。其中，通用汽车和三星的专利申请数量最多，其次是通用汽车和松下。

2

催化剂的技术组成分为五部分：铂族金属、催化剂载体、金属或合金、金属氧化物和有机或有机金属化合物。如下图所示，专利申请主要集中在铂族金属上，占比49%；其次是金属氧化物、氢氧化物或含氧盐，占22%；催化剂载体、金属或合金也占一定比例，范围从11%到13%。

3

通过分析铂族金属的技术组成可以得出结论，铂族金属专利申请主要集中在催化剂载体、金属元素的合金或混合物上，分别占56%和35%。来源：第一电气网作者：中国汽车研究院北京分院

燃料电池汽车研究与示范的关键在于燃料电池催化剂、质子交换膜、复写纸、膜电极组件、双极板等关键材料的量产能力建设和质量控制技术研究。本文选取双极板、催化剂和质子交换膜三项关键技术进行专利分析，分析维度涵盖应用趋势、国家分布、专利申请人、技术组成等。

双极板

双极板是PEMFC单电池串联成电堆的关键部件，主要起到分离氧化剂和还原剂以及收集电流的作用。它具有以下特点：良好的气体阻隔功能；良好的导电性和导热性；低体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；

重量轻，强度高，适合批量加工。因此，双极板不仅对电池的体积、重量和成本有很大影响，而且对燃料电池的电气性能也有很大影响。文献表明，双极板的质量占整个电池组的60%-70%，其成本占总成本的46%。

下图显示了双极板全球专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球双极板专利申请总量为20863件，整体专利申请呈现先快速增长后缓慢下降的趋势，2005年后进入缓慢下降期。

下图显示了世界主要国家的专利申请分布情况。双极板专利主要集中在美国、世界知识产权组织（WIPO）、日本、欧洲专利局（EPO）和中国。五个地区的专利申请分布相对均衡，其中美国的申请数量最多，占21%。

在全球前十大专利申请人中，日本有4个，美国有2个，德国有2个、韩国有1个、加拿大有1个，表明日本和美国在燃料电池双极板方面具有比较优势，其中日本企业具有明显的集体优势，丰田和本田分别以1023个和951个位居前两位。美国通用汽车公司排名第三。

在中国的专利申请中，本地申请793件，占32%，中国申请1681件，占68%。在向中国提出的申请中，申请人主要来自日本和美国。

在中国前十名申请人中，有7家外国公司和3家国内公司，一般专利申请数量最多，其次是丰田、松下和三星，而国内公司新能源动力有限公司排名第五，表明国内对燃料电池双极板的研究已形成一定的知识成果。

在双极板的技术组成中，它分为五部分：无孔结构材料、多孔结构材料、板形、流场结构和散热结构。如下图所示，该专利申请主要关注双极板的材料、板形和流场结构，其中双极板材料占比最高，非多孔结构材料和多孔结构材料合计占62%。

在双极板材料的组成中，多孔结构材料的专利申请大多集中在复合材料中，占39%，其次是金属或合金，占26%；

非多孔结构材料的专利申请大多集中在复合材料、碳材料、金属或合金中，分别占31%、28%和22%。

流场的基本功能是引导反应物的流动方向，确保反应物均匀分布在电极的各个部分，同时及时对电池运行过程中的产物进行放电。双极板表面的流场决定了流场中反应气体和产物的流量，因此双极板表面流场对燃料电池的性能和运行效率有很大影响。

通过对双极板流场结构的分析可知，在双极板的流场结构中，蛇形弯曲型的专利申请数量最多，占50%，其次是变截面型和凹槽型，两种类型的专利申请相当。

在双极板形状中，波纹状专利申请最多，占57%，其次是管状和通道型，约占20%。

技术功效矩阵图是深入分析专利技术内容的有效方法。通过技术效能矩阵分析，我们可以一眼掌握“专利雷区”和“专利空白区”的分布情况，可以有效加强“专利部署”，对了解技术现状、分析竞争对手、协助制定技术发展战略发挥重要作用。本报告对无孔结构材料和多孔结构材料进行了进一步的功效矩阵分析，结果如下：

在无孔结构材料中，蛇形弯曲的专利申请主要集中在复合材料上，其次是金属/合金和聚合物；凹槽型的专利申请主要集中在复合材料上，其次是金属/合金；可变截面的专利申请主要集中在金属/合金和复合材料上。

在多孔结构材料中，蛇形弯曲的专利申请主要集中在复合材料和碳材料上；凹槽型的专利申请主要集中在复合材料上，其次是碳材料；

可变截面的专利申请主要集中在碳材料和复合材料上。

0

双质子交换膜

下图显示了全球质子交换膜专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球质子交换膜专利申请总量为12014件，整体专利申请呈现先快速增长后缓慢下降的趋势，2006年后进入缓慢下降期。

1

从国家分布来看，专利申请主要集中在美国、世界知识产权组织、欧洲专利局、日本和中国。其中，美国和世界知识产权组织分布的专利数量最多，占20%，其次是欧洲专利局和日本，约占13%。

2

在全球前十大专利申请人中，日本有5家，美国有2家，韩国有1家，加拿大有1家和德国有1家。这表明日本和美国在质子交换膜方面具有比较优势，其中日本企业具有明显的集体优势。在前六名申请者中，有5家是日本企业，丰田排名第一。

3

在中国的专利申请中，本地申请49件，占5%，中国申请1047件，占95%。在中国的申请中，申请人主要来自日本、美国、韩国和德国。

4

在中国排名前十的申请者中，他们都是外国企业。其中，通用汽车、丰田和三星的专利申请数量最多。

5

在质子交换膜的技术组成中，合成高分子化合物的专利申请约占76%，非均相膜的专利申请占24%左右。

6

通过分析质子交换膜的功效矩阵，我们可以知道质子交换膜专利申请将安全性和稳定性置于重要地位。此外，MEA模块的专利申请也侧重于提高交换效率。

7

三种催化剂

下图显示了全球催化剂专利申请随时间的变化趋势。截至2015年9月30日，全球催化剂专利申请总量为12955件，专利申请趋势可分为三个阶段，包括快速增长期（1994-2003年）、稳定发展期（2004-2011年）和缓慢下降期（2012-2015年）。

8

在催化剂专利申请的主要国家中，专利申请主要集中在美国、世界知识产权组织（WIPO），其次是欧洲专利局（EPO）、日本和中国。其中，美国和世界知识产权组织的专利数量占比超过20%，欧洲专利局和日本的专利数量则占比12-14%。

9

在全球前十大专利申请中，日本5件，德国2件，韩国1件，美国1件，英国1件，说明日本和德国在燃料电池催化剂方面具有比较优势。其中，日本公司具有明显的集体优势。排名前六的公司中有五家是日本公司，丰田位居第一。

0

在中国的专利申请中，本地申请有70件，占6%，在中国的申请有1019件，占94%。在中国的申请中，申请者主要来自日本和美国，其次是韩国和德国。

“丰田，北京，本田”src=“/eimg/jndp/ig/202303040209091624/22.jpg”/>

在中国排名前十的申请者中，他们都是外国企业。其中，通用汽车和三星的专利申请数量最多，其次是通用汽车和松下。

2

催化剂的技术组成分为五部分：铂族金属、催化剂载体、金属或合金、金属氧化物和有机或有机金属化合物。如下图所示，专利申请主要集中在铂族金属上，占比49%；其次是金属氧化物、氢氧化物或含氧盐，占22%；催化剂载体、金属或合金也占一定比例，范围从11%到13%。

3

通过分析铂族金属的技术组成可以得出结论，铂族金属专利申请主要集中在催化剂载体、金属元素的合金或混合物上，分别占56%和35%。8

通过对催化剂功效矩阵的分析，可以知道催化剂的专利申请将安全性和稳定性放在了重要位置，其次是关注催化剂的效率。

9

四个结节

（1） 双极板：

世界专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织和欧洲专利局，美国的专利申请数量最多（21%）；在中国的专利中，本土申请占32%，中国本土申请占68%。外国申请人主要来自日本和美国。

全球前十名申请者中，日本有4家，美国有2家，德国有2家、韩国有1家、加拿大有1家，日本企业集体优势明显；在中国排名前十的申请人中，有7家外国企业和3家国内企业，排名前四的都是外国企业。

在技术组成中，该专利申请主要关注双极板的材料、极板的形状和流场结构，其中双极板材料占比最高的62%。在双极板材料中，多孔材料的专利申请主要集中在复合材料（39%）和金属或合金（26%）；非多孔材料的专利申请主要集中在复合材料（31%）、碳材料（28%）、金属或合金（22%）。

（2） 质子交换膜：

世界专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织和欧洲专利局。美国和世界知识产权组织的专利申请数量最多，占20%。在中国的专利中，只有5%来自中国，95%来自中国。外国申请人主要来自日本、美国、韩国和德国。

在全球排名前十的申请者中，日本有5人，美国有2人，韩国有1人，加拿大有1人和德国有1人。在前6名申请者中，有5家是日本公司，日本公司具有明显的集体优势。在中国排名前十的申请者中，都是外国企业。

在技术组成中，专利申请主要集中在合成高分子化合物领域，占76%，其次是非均相膜，约占24%。

（3） 催化剂：

专利申请主要分布在美国和世界知识产权组织，其次是欧洲专利局、日本和中国。其中，分布在美国和世界知识产权组织的专利数量占比超过20%；在中国的专利中，只有6%是在当地申请的，94%是在中国申请的。外国申请人主要来自日本和美国，其次是韩国和德国。

在全球排名前十的申请者中，日本有5家、德国有2家、韩国有1家、美国有1家和英国有1家，日本企业具有明显的集体优势；在中国排名前十的申请者中，都是外国企业。

在技术构成中，专利申请主要集中在铂族金属上，占49%；

其次是金属氧化物、氢氧化物或含氧盐，占22%。

在三大关键技术中，双极板的专利数量最多，其次是催化剂和质子交换膜。所有技术分支机构的专利申请数量都是美国和世界知识产权组织中最多的。在中国的专利申请中，双极板领域的本土申请占32%，并且仍有一定的知识积累。然而，在质子交换膜和催化剂领域，本地应用几乎很少，而且大多由外国企业控制。中国在这两个技术领域的基础非常薄弱。

作者：中国汽车工程研究院北京分院/知识产权项目负责人/孙凤艳

资料来源：《中国汽车工业知识产权发展报告（2016）-新能源汽车》。8

通过对催化剂功效矩阵的分析，可以知道催化剂的专利申请将安全性和稳定性放在了重要位置，其次是关注催化剂的效率。

9

四个结节

（1） 双极板：

世界专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织和欧洲专利局，美国的专利申请数量最多（21%）；在中国的专利中，本土申请占32%，中国本土申请占68%。外国申请人主要来自日本和美国。

全球前十名申请者中，日本有4家，美国有2家，德国有2家、韩国有1家、加拿大有1家，日本企业集体优势明显；在中国排名前十的申请人中，有7家外国企业和3家国内企业，排名前四的都是外国企业。

在技术组成中，该专利申请主要关注双极板的材料、极板的形状和流场结构，其中双极板材料占比最高的62%。在双极板材料中，多孔材料的专利申请主要集中在复合材料（39%）和金属或合金（26%）；非多孔材料的专利申请主要集中在复合材料（31%）、碳材料（28%）、金属或合金（22%）。

（2） 质子交换膜：

世界专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织和欧洲专利局。美国和世界知识产权组织的专利申请数量最多，占20%。在中国的专利中，只有5%来自中国，95%来自中国。外国申请人主要来自日本、美国、韩国和德国。

在全球排名前十的申请者中，日本有5人，美国有2人，韩国有1人，加拿大有1人和德国有1人。在前6名申请者中，有5家是日本公司，日本公司具有明显的集体优势。在中国排名前十的申请者中，都是外国企业。

在技术组成中，专利申请主要集中在合成高分子化合物领域，占76%，其次是非均相膜，约占24%。

（3） 催化剂：

专利申请主要分布在美国和世界知识产权组织，其次是欧洲专利局、日本和中国。其中，分布在美国和世界知识产权组织的专利数量占比超过20%；在中国的专利中，只有6%是在当地申请的，94%是在中国申请的。外国申请人主要来自日本和美国，其次是韩国和德国。

在全球排名前十的申请者中，日本有5家、德国有2家、韩国有1家、美国有1家和英国有1家，日本企业具有明显的集体优势；在中国排名前十的申请者中，都是外国企业。

在技术构成中，专利申请主要集中在铂族金属上，占49%；

其次是金属氧化物、氢氧化物或含氧盐，占22%。

在三大关键技术中，双极板的专利数量最多，其次是催化剂和质子交换膜。所有技术分支机构的专利申请数量都是美国和世界知识产权组织中最多的。在中国的专利申请中，双极板领域的本土申请占32%，并且仍有一定的知识积累。然而，在质子交换膜和催化剂领域，本地应用几乎很少，而且大多由外国企业控制。中国在这两个技术领域的基础非常薄弱。

作者：中国汽车工程研究院北京分院/知识产权项目负责人/孙凤艳

资料来源：《中国汽车工业知识产权发展报告（2016）-新能源汽车》。

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