必讀內參：全球燃料電池汽車重點技術多維度專利分析

來源：第一電氣網作者：中國汽車研究院北京分院

燃料電池汽車研究與示范的關鍵在于燃料電池催化劑、質子交換膜、復寫紙、膜電極組件、雙極板等關鍵材料的量產能力建設和質量控制技術研究。本文選取雙極板、催化劑和質子交換膜三項關鍵技術進行專利分析，分析維度涵蓋應用趨勢、國家分布、專利申請人、技術組成等。

雙極板

雙極板是PEMFC單電池串聯成電堆的關鍵部件，主要起到分離氧化劑和還原劑以及收集電流的作用。它具有以下特點：良好的氣體阻隔功能；良好的導電性和導熱性；低體電阻和接觸電阻；耐腐蝕性強；重量輕，強度高，適合批量加工。因此，雙極板不僅對電池的體積、重量和成本有很大影響，而且對燃料電池的電氣性能也有很大影響。文獻表明，雙極板的質量占整個電池組的60%-70%，其成本占總成本的46%。

下圖顯示了雙極板全球專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球雙極板專利申請總量為20863件，整體專利申請呈現先快速增長后緩慢下降的趨勢，2005年后進入緩慢下降期。

下圖顯示了世界主要國家的專利申請分布情況。雙極板專利主要集中在美國、世界知識產權組織（WIPO）、日本、歐洲專利局（EPO）和中國。五個地區的專利申請分布相對均衡，其中美國的申請數量最多，占21%。

在全球前十大專利申請人中，日本有4個，美國有2個，德國有2個、韓國有1個、加拿大有1個，表明日本和美國在燃料電池雙極板方面具有比較優勢，其中日本企業具有明顯的集體優勢，豐田和本田分別以1023個和951個位居前兩位。美國通用汽車公司排名第三。

在中國的專利申請中，本地申請793件，占32%，中國申請1681件，占68%。在向中國提出的申請中，申請人主要來自日本和美國。

在中國前十名申請人中，有7家外國公司和3家國內公司，一般專利申請數量最多，其次是豐田、松下和三星，而國內公司新能源動力有限公司排名第五，表明國內對燃料電池雙極板的研究已形成一定的知識成果。

在雙極板的技術組成中，它分為五部分：無孔結構材料、多孔結構材料、板形、流場結構和散熱結構。如下圖所示，該專利申請主要關注雙極板的材料、板形和流場結構，其中雙極板材料占比最高，非多孔結構材料和多孔結構材料合計占62%。

在雙極板材料的組成中，多孔結構材料的專利申請大多集中在復合材料中，占39%，其次是金屬或合金，占26%；

非多孔結構材料的專利申請大多集中在復合材料、碳材料、金屬或合金中，分別占31%、28%和22%。

流場的基本功能是引導反應物的流動方向，確保反應物均勻分布在電極的各個部分，同時及時對電池運行過程中的產物進行放電。雙極板表面的流場決定了流場中反應氣體和產物的流量，因此雙極板表面流場對燃料電池的性能和運行效率有很大影響。

通過對雙極板流場結構的分析可知，在雙極板的流場結構中，蛇形彎曲型的專利申請數量最多，占50%，其次是變截面型和凹槽型，兩種類型的專利申請相當。

在雙極板形狀中，波紋狀專利申請最多，占57%，其次是管狀和通道型，約占20%。

技術功效矩陣圖是深入分析專利技術內容的有效方法。通過技術效能矩陣分析，我們可以一眼掌握“專利雷區”和“專利空白區”的分布情況，可以有效加強“專利部署”，對了解技術現狀、分析競爭對手、協助制定技術發展戰略發揮重要作用。本報告對無孔結構材料和多孔結構材料進行了進一步的功效矩陣分析，結果如下：

在無孔結構材料中，蛇形彎曲的專利申請主要集中在復合材料上，其次是金屬/合金和聚合物；凹槽型的專利申請主要集中在復合材料上，其次是金屬/合金；可變截面的專利申請主要集中在金屬/合金和復合材料上。

在多孔結構材料中，蛇形彎曲的專利申請主要集中在復合材料和碳材料上；凹槽型的專利申請主要集中在復合材料上，其次是碳材料；

可變截面的專利申請主要集中在碳材料和復合材料上。

0

雙質子交換膜

下圖顯示了全球質子交換膜專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球質子交換膜專利申請總量為12014件，整體專利申請呈現先快速增長后緩慢下降的趨勢，2006年后進入緩慢下降期。

1

從國家分布來看，專利申請主要集中在美國、世界知識產權組織、歐洲專利局、日本和中國。其中，美國和世界知識產權組織分布的專利數量最多，占20%，其次是歐洲專利局和日本，約占13%。

2

在全球前十大專利申請人中，日本有5家，美國有2家，韓國有1家，加拿大有1家和德國有1家。這表明日本和美國在質子交換膜方面具有比較優勢，其中日本企業具有明顯的集體優勢。在前六名申請者中，有5家是日本企業，豐田排名第一。

3

在中國的專利申請中，本地申請49件，占5%，中國申請1047件，占95%。在中國的申請中，申請人主要來自日本、美國、韓國和德國。

4

在中國排名前十的申請者中，他們都是外國企業。其中，通用汽車、豐田和三星的專利申請數量最多。

5

在質子交換膜的技術組成中，合成高分子化合物的專利申請約占76%，非均相膜的專利申請占24%左右。

6

通過分析質子交換膜的功效矩陣，我們可以知道質子交換膜專利申請將安全性和穩定性置于重要地位。此外，MEA模塊的專利申請也側重于提高交換效率。

7

三種催化劑

下圖顯示了全球催化劑專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球催化劑專利申請總量為12955件，專利申請趨勢可分為三個階段，包括快速增長期（1994-2003年）、穩定發展期（2004-2011年）和緩慢下降期（2012-2015年）。

8

在催化劑專利申請的主要國家中，專利申請主要集中在美國、世界知識產權組織（WIPO），其次是歐洲專利局（EPO）、日本和中國。其中，美國和世界知識產權組織的專利數量占比超過20%，歐洲專利局和日本的專利數量則占比12-14%。

9

在全球前十大專利申請中，日本5件，德國2件，韓國1件，美國1件，英國1件，說明日本和德國在燃料電池催化劑方面具有比較優勢。其中，日本公司具有明顯的集體優勢。排名前六的公司中有五家是日本公司，豐田位居第一。

0

在中國的專利申請中，本地申請有70件，占6%，在中國的申請有1019件，占94%。在中國的申請中，申請者主要來自日本和美國，其次是韓國和德國。

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

在中國排名前十的申請者中，他們都是外國企業。其中，通用汽車和三星的專利申請數量最多，其次是通用汽車和松下。

2

催化劑的技術組成分為五部分：鉑族金屬、催化劑載體、金屬或合金、金屬氧化物和有機或有機金屬化合物。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22%；催化劑載體、金屬或合金也占一定比例，范圍從11%到13%。

3

通過分析鉑族金屬的技術組成可以得出結論，鉑族金屬專利申請主要集中在催化劑載體、金屬元素的合金或混合物上，分別占56%和35%。來源：第一電氣網作者：中國汽車研究院北京分院

燃料電池汽車研究與示范的關鍵在于燃料電池催化劑、質子交換膜、復寫紙、膜電極組件、雙極板等關鍵材料的量產能力建設和質量控制技術研究。本文選取雙極板、催化劑和質子交換膜三項關鍵技術進行專利分析，分析維度涵蓋應用趨勢、國家分布、專利申請人、技術組成等。

雙極板

雙極板是PEMFC單電池串聯成電堆的關鍵部件，主要起到分離氧化劑和還原劑以及收集電流的作用。它具有以下特點：良好的氣體阻隔功能；良好的導電性和導熱性；低體電阻和接觸電阻；耐腐蝕性強；

重量輕，強度高，適合批量加工。因此，雙極板不僅對電池的體積、重量和成本有很大影響，而且對燃料電池的電氣性能也有很大影響。文獻表明，雙極板的質量占整個電池組的60%-70%，其成本占總成本的46%。

下圖顯示了雙極板全球專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球雙極板專利申請總量為20863件，整體專利申請呈現先快速增長后緩慢下降的趨勢，2005年后進入緩慢下降期。

下圖顯示了世界主要國家的專利申請分布情況。雙極板專利主要集中在美國、世界知識產權組織（WIPO）、日本、歐洲專利局（EPO）和中國。五個地區的專利申請分布相對均衡，其中美國的申請數量最多，占21%。

在全球前十大專利申請人中，日本有4個，美國有2個，德國有2個、韓國有1個、加拿大有1個，表明日本和美國在燃料電池雙極板方面具有比較優勢，其中日本企業具有明顯的集體優勢，豐田和本田分別以1023個和951個位居前兩位。美國通用汽車公司排名第三。

在中國的專利申請中，本地申請793件，占32%，中國申請1681件，占68%。在向中國提出的申請中，申請人主要來自日本和美國。

在中國前十名申請人中，有7家外國公司和3家國內公司，一般專利申請數量最多，其次是豐田、松下和三星，而國內公司新能源動力有限公司排名第五，表明國內對燃料電池雙極板的研究已形成一定的知識成果。

在雙極板的技術組成中，它分為五部分：無孔結構材料、多孔結構材料、板形、流場結構和散熱結構。如下圖所示，該專利申請主要關注雙極板的材料、板形和流場結構，其中雙極板材料占比最高，非多孔結構材料和多孔結構材料合計占62%。

在雙極板材料的組成中，多孔結構材料的專利申請大多集中在復合材料中，占39%，其次是金屬或合金，占26%；

非多孔結構材料的專利申請大多集中在復合材料、碳材料、金屬或合金中，分別占31%、28%和22%。

流場的基本功能是引導反應物的流動方向，確保反應物均勻分布在電極的各個部分，同時及時對電池運行過程中的產物進行放電。雙極板表面的流場決定了流場中反應氣體和產物的流量，因此雙極板表面流場對燃料電池的性能和運行效率有很大影響。

通過對雙極板流場結構的分析可知，在雙極板的流場結構中，蛇形彎曲型的專利申請數量最多，占50%，其次是變截面型和凹槽型，兩種類型的專利申請相當。

在雙極板形狀中，波紋狀專利申請最多，占57%，其次是管狀和通道型，約占20%。

技術功效矩陣圖是深入分析專利技術內容的有效方法。通過技術效能矩陣分析，我們可以一眼掌握“專利雷區”和“專利空白區”的分布情況，可以有效加強“專利部署”，對了解技術現狀、分析競爭對手、協助制定技術發展戰略發揮重要作用。本報告對無孔結構材料和多孔結構材料進行了進一步的功效矩陣分析，結果如下：

在無孔結構材料中，蛇形彎曲的專利申請主要集中在復合材料上，其次是金屬/合金和聚合物；凹槽型的專利申請主要集中在復合材料上，其次是金屬/合金；可變截面的專利申請主要集中在金屬/合金和復合材料上。

在多孔結構材料中，蛇形彎曲的專利申請主要集中在復合材料和碳材料上；凹槽型的專利申請主要集中在復合材料上，其次是碳材料；

可變截面的專利申請主要集中在碳材料和復合材料上。

0

雙質子交換膜

下圖顯示了全球質子交換膜專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球質子交換膜專利申請總量為12014件，整體專利申請呈現先快速增長后緩慢下降的趨勢，2006年后進入緩慢下降期。

1

從國家分布來看，專利申請主要集中在美國、世界知識產權組織、歐洲專利局、日本和中國。其中，美國和世界知識產權組織分布的專利數量最多，占20%，其次是歐洲專利局和日本，約占13%。

2

在全球前十大專利申請人中，日本有5家，美國有2家，韓國有1家，加拿大有1家和德國有1家。這表明日本和美國在質子交換膜方面具有比較優勢，其中日本企業具有明顯的集體優勢。在前六名申請者中，有5家是日本企業，豐田排名第一。

3

在中國的專利申請中，本地申請49件，占5%，中國申請1047件，占95%。在中國的申請中，申請人主要來自日本、美國、韓國和德國。

4

在中國排名前十的申請者中，他們都是外國企業。其中，通用汽車、豐田和三星的專利申請數量最多。

5

在質子交換膜的技術組成中，合成高分子化合物的專利申請約占76%，非均相膜的專利申請占24%左右。

6

通過分析質子交換膜的功效矩陣，我們可以知道質子交換膜專利申請將安全性和穩定性置于重要地位。此外，MEA模塊的專利申請也側重于提高交換效率。

7

三種催化劑

下圖顯示了全球催化劑專利申請隨時間的變化趨勢。截至2015年9月30日，全球催化劑專利申請總量為12955件，專利申請趨勢可分為三個階段，包括快速增長期（1994-2003年）、穩定發展期（2004-2011年）和緩慢下降期（2012-2015年）。

8

在催化劑專利申請的主要國家中，專利申請主要集中在美國、世界知識產權組織（WIPO），其次是歐洲專利局（EPO）、日本和中國。其中，美國和世界知識產權組織的專利數量占比超過20%，歐洲專利局和日本的專利數量則占比12-14%。

9

在全球前十大專利申請中，日本5件，德國2件，韓國1件，美國1件，英國1件，說明日本和德國在燃料電池催化劑方面具有比較優勢。其中，日本公司具有明顯的集體優勢。排名前六的公司中有五家是日本公司，豐田位居第一。

0

在中國的專利申請中，本地申請有70件，占6%，在中國的申請有1019件，占94%。在中國的申請中，申請者主要來自日本和美國，其次是韓國和德國。

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

在中國排名前十的申請者中，他們都是外國企業。其中，通用汽車和三星的專利申請數量最多，其次是通用汽車和松下。

2

催化劑的技術組成分為五部分：鉑族金屬、催化劑載體、金屬或合金、金屬氧化物和有機或有機金屬化合物。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22%；催化劑載體、金屬或合金也占一定比例，范圍從11%到13%。

3

通過分析鉑族金屬的技術組成可以得出結論，鉑族金屬專利申請主要集中在催化劑載體、金屬元素的合金或混合物上，分別占56%和35%。8

通過對催化劑功效矩陣的分析，可以知道催化劑的專利申請將安全性和穩定性放在了重要位置，其次是關注催化劑的效率。

9

四個結節

（1） 雙極板：

世界專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識產權組織和歐洲專利局，美國的專利申請數量最多（21%）；在中國的專利中，本土申請占32%，中國本土申請占68%。外國申請人主要來自日本和美國。

全球前十名申請者中，日本有4家，美國有2家，德國有2家、韓國有1家、加拿大有1家，日本企業集體優勢明顯；在中國排名前十的申請人中，有7家外國企業和3家國內企業，排名前四的都是外國企業。

在技術組成中，該專利申請主要關注雙極板的材料、極板的形狀和流場結構，其中雙極板材料占比最高的62%。在雙極板材料中，多孔材料的專利申請主要集中在復合材料（39%）和金屬或合金（26%）；非多孔材料的專利申請主要集中在復合材料（31%）、碳材料（28%）、金屬或合金（22%）。

（2） 質子交換膜：

世界專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識產權組織和歐洲專利局。美國和世界知識產權組織的專利申請數量最多，占20%。在中國的專利中，只有5%來自中國，95%來自中國。外國申請人主要來自日本、美國、韓國和德國。

在全球排名前十的申請者中，日本有5人，美國有2人，韓國有1人，加拿大有1人和德國有1人。在前6名申請者中，有5家是日本公司，日本公司具有明顯的集體優勢。在中國排名前十的申請者中，都是外國企業。

在技術組成中，專利申請主要集中在合成高分子化合物領域，占76%，其次是非均相膜，約占24%。

（3） 催化劑：

專利申請主要分布在美國和世界知識產權組織，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產權組織的專利數量占比超過20%；在中國的專利中，只有6%是在當地申請的，94%是在中國申請的。外國申請人主要來自日本和美國，其次是韓國和德國。

在全球排名前十的申請者中，日本有5家、德國有2家、韓國有1家、美國有1家和英國有1家，日本企業具有明顯的集體優勢；在中國排名前十的申請者中，都是外國企業。

在技術構成中，專利申請主要集中在鉑族金屬上，占49%；

其次是金屬氧化物、氫氧化物或含氧鹽，占22%。

在三大關鍵技術中，雙極板的專利數量最多，其次是催化劑和質子交換膜。所有技術分支機構的專利申請數量都是美國和世界知識產權組織中最多的。在中國的專利申請中，雙極板領域的本土申請占32%，并且仍有一定的知識積累。然而，在質子交換膜和催化劑領域，本地應用幾乎很少，而且大多由外國企業控制。中國在這兩個技術領域的基礎非常薄弱。

作者：中國汽車工程研究院北京分院/知識產權項目負責人/孫鳳艷

資料來源：《中國汽車工業知識產權發展報告（2016）-新能源汽車》。8

通過對催化劑功效矩陣的分析，可以知道催化劑的專利申請將安全性和穩定性放在了重要位置，其次是關注催化劑的效率。

9

四個結節

（1） 雙極板：

世界專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識產權組織和歐洲專利局，美國的專利申請數量最多（21%）；在中國的專利中，本土申請占32%，中國本土申請占68%。外國申請人主要來自日本和美國。

全球前十名申請者中，日本有4家，美國有2家，德國有2家、韓國有1家、加拿大有1家，日本企業集體優勢明顯；在中國排名前十的申請人中，有7家外國企業和3家國內企業，排名前四的都是外國企業。

在技術組成中，該專利申請主要關注雙極板的材料、極板的形狀和流場結構，其中雙極板材料占比最高的62%。在雙極板材料中，多孔材料的專利申請主要集中在復合材料（39%）和金屬或合金（26%）；非多孔材料的專利申請主要集中在復合材料（31%）、碳材料（28%）、金屬或合金（22%）。

（2） 質子交換膜：

世界專利主要分布在日本、美國、中國、世界知識產權組織和歐洲專利局。美國和世界知識產權組織的專利申請數量最多，占20%。在中國的專利中，只有5%來自中國，95%來自中國。外國申請人主要來自日本、美國、韓國和德國。

在全球排名前十的申請者中，日本有5人，美國有2人，韓國有1人，加拿大有1人和德國有1人。在前6名申請者中，有5家是日本公司，日本公司具有明顯的集體優勢。在中國排名前十的申請者中，都是外國企業。

在技術組成中，專利申請主要集中在合成高分子化合物領域，占76%，其次是非均相膜，約占24%。

（3） 催化劑：

專利申請主要分布在美國和世界知識產權組織，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產權組織的專利數量占比超過20%；在中國的專利中，只有6%是在當地申請的，94%是在中國申請的。外國申請人主要來自日本和美國，其次是韓國和德國。

在全球排名前十的申請者中，日本有5家、德國有2家、韓國有1家、美國有1家和英國有1家，日本企業具有明顯的集體優勢；在中國排名前十的申請者中，都是外國企業。

在技術構成中，專利申請主要集中在鉑族金屬上，占49%；

其次是金屬氧化物、氫氧化物或含氧鹽，占22%。

在三大關鍵技術中，雙極板的專利數量最多，其次是催化劑和質子交換膜。所有技術分支機構的專利申請數量都是美國和世界知識產權組織中最多的。在中國的專利申請中，雙極板領域的本土申請占32%，并且仍有一定的知識積累。然而，在質子交換膜和催化劑領域，本地應用幾乎很少，而且大多由外國企業控制。中國在這兩個技術領域的基礎非常薄弱。

作者：中國汽車工程研究院北京分院/知識產權項目負責人/孫鳳艷

資料來源：《中國汽車工業知識產權發展報告（2016）-新能源汽車》。

標簽：豐田北京本田

汽車資訊熱門資訊