固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析

安 莉

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

當(dāng)前日益凸顯的能源和環(huán)境問題形勢下，高效、清潔的新型能源的開發(fā)與利用將成為21世紀(jì)能源發(fā)展的重要選擇[1]。燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)是一種新型的高效清潔的發(fā)電方式，被譽為繼火電、水電及核電之外的第4種發(fā)電方式，在大型電站、分布式發(fā)電及家用熱電聯(lián)供、便攜式發(fā)電系統(tǒng)、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域均具有非常廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。燃料電池本質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器，是一種通過有效控制燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)，并將其中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，比傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)(化學(xué)能—熱能—機(jī)械能—電能)程序少，發(fā)電效率高。同等發(fā)電效率的前提下可大大降低煤炭使用量，從而實現(xiàn)煤炭減量化(圖1)。

圖1 燃料電池發(fā)電與傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電對比圖

按所使用的電解質(zhì)不同，燃料電池主要分為固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸鹽燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)等。

在上述各類燃料電池中，SOFC發(fā)電效率最高(綜合發(fā)電效率約80%)，可以直接使用現(xiàn)有的各種含碳燃料，例如煤氣、合成氣、天然氣、液化石油氣等，并很好地和現(xiàn)有能源供應(yīng)系統(tǒng)兼容，被認(rèn)為是本世紀(jì)最有應(yīng)用前景的綠色高效發(fā)電系統(tǒng)之一[4]。

SOFC的工作原理如圖2所示：能量轉(zhuǎn)換是通過電極上的電化學(xué)過程來進(jìn)行的，電解質(zhì)起傳遞O2-及分離空氣和燃料的雙重作用。陰陽極反應(yīng)為：

陽極：2CO + O2-= CO2+ 2e-

H2+ O2-= H2O + 2e-

陰極：O2+ 2e-= O2-

圖2 SOFC工作原理圖

陽極燃料氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成陽離子并給出自由電子；陰極氧化物(通常為氧氣)發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子和陰離子；陽離子和陰離子通過電解質(zhì)運動到相對電極上，生成反應(yīng)產(chǎn)物并排到電池外；在電勢差的驅(qū)動下電子通過外電路從陽極運動到陰極，外部用電器獲得了燃料電池所提供的電能。

1 SOFC發(fā)展歷程

1899年，Nernst使用二氧化鋯(ZrO2)作為氧離子導(dǎo)體，開發(fā)出了SOFC的雛形，1980年代后其研究得到蓬勃發(fā)展。以美國西屋電氣公司為首的歐洲和日韓等企業(yè)開始了SOFC的商業(yè)化探索[5-6]。我國從2007年開始開展SOFC相關(guān)關(guān)鍵材料和基礎(chǔ)科學(xué)研究，基本實現(xiàn)了諸多核心關(guān)鍵技術(shù)突破，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了SOFC關(guān)鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發(fā)電系統(tǒng)四部分技術(shù)全線貫通，但由于起步晚，仍處于初步探索階段。

2 SOFC專利基本情況分析

2.1 專利申請趨勢分析

以“固體氧化物燃料電池”為關(guān)鍵詞，檢索patsnap專利數(shù)據(jù)庫中1991年1月1日(專利申請始于1991年)—2020年12月31日已經(jīng)公開的相關(guān)專利數(shù)據(jù)，得到專利申請趨勢見圖3。

圖3 專利申請趨勢圖

從圖3中可以看出，2000年以前，專利申請數(shù)量維持在較低水平，平均每年約13項，表明SOFC產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢；2001—2019年，申請量整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，并于2019年達(dá)到峰值(726項)，約是2001年8.7倍。

截至2020年底，共檢索到SOFC相關(guān)專利申請8 187項，前5名分別為：中國5 100項，美國1 109項，日本540項，韓國439項，英國170項，其中發(fā)明專利7 550項，占總申請量的92.2%；另有實用新型專利636項，外觀設(shè)計1項。而在授權(quán)專利方面，雖然1991年開始申請，但直到2001年，第1項SOFC專利才獲得授權(quán)(圖4)。到2004年，共授權(quán)78項，平均年授權(quán)量僅5.5項，授權(quán)率很低；2005—2014年，專利授權(quán)呈現(xiàn)快速上升(除2013年稍有降低)，2014年達(dá)峰值419項，2015—2019年趨勢平穩(wěn)，平均年授權(quán)347.4項，2020年授權(quán)數(shù)大幅下降，分析原因可能為2016—2017年專利申請數(shù)量降低有關(guān)。截至2020年底，SOFC相關(guān)授權(quán)專利共有3 677項。

圖4 授權(quán)專利趨勢圖

從圖5可以看出，中國從1997年開始申請SOFC專利，中國整體增長趨勢和世界范圍增長趨勢基本一致，申請數(shù)量占比逐漸增大，特別是2012年，我國布局了第一個SOFC方向的973項目，國內(nèi)對SOFC的關(guān)注度逐漸升高，專利申請數(shù)量逐年上升。

圖5 中國專利申請趨勢圖

2.2 法律狀態(tài)分析

專利法律狀態(tài)數(shù)據(jù)是指《專利法》及其規(guī)定的專利申請中公開和公告的法律信息，包括專利的授權(quán)、無權(quán)、實質(zhì)審查等。專利的授權(quán)率也是衡量專利質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，并在一定程度上真實地反映了該領(lǐng)域的技術(shù)水平和發(fā)展規(guī)模[7-8]。分析SOFC相關(guān)專利的法律狀態(tài)構(gòu)成可見，相關(guān)授權(quán)專利共5 602項(含授權(quán)后放棄、失效的專利)，占總申請量的68.4%.失效專利3 317項，占總申請量的37.6%；有效專利3 686項，占總申請量的45.0%，占總授權(quán)量的65.8%.未繳年費專利1 843項，占總授權(quán)量的33.0%，占失效專利的55.6%.有質(zhì)量的專利是指具有新穎性、創(chuàng)造性、實用性以及法律效力穩(wěn)定的專利，其中創(chuàng)造性對專利的技術(shù)質(zhì)量起直接決定作用[9]。從數(shù)據(jù)上看，SOFC專利授權(quán)率較高，反映出目前SOFC專利質(zhì)量相對較高，創(chuàng)新性較強(qiáng)。專利的實用性意味著其經(jīng)濟(jì)價值或市場前景，而主動放棄和未繳年費的情況也多是由專利實用性低造成的，反映出相關(guān)專利未能實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)移。SOFC專利未繳年費比例相對較高，說明部分專利的實用性不夠。

2.3 申請人類型分析

對SOFC專利申請人類型進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1可見，SOFC相關(guān)專利以公司和高校院所為主，公司申請最多，為4 764項，占申請總數(shù)的58.2%.其次為高校院所(3 367項)，占比41.1%，但有效專利占比均不到一半。公司和高校院所作為主要的申請單位，在撤回駁回的無效專利中，占比分別為32.2%和23.6%；在未繳年費的無效專利中，占比分別為38.0%和44.8%.表明雖專利申請量高但有效率低，高校院所專利質(zhì)量相對較高，撤回駁回率低；未繳年費占比均較高，說明專利實用性欠缺，轉(zhuǎn)化效果較差。

表1 SOFC相關(guān)專利申請人類型情況統(tǒng)計

進(jìn)一步對申請數(shù)量排名前8位的進(jìn)行分析可見，前8位申請人的申請量共計1 145項，占總申請量的14.0%，其中發(fā)明專利1 127項；排名前8位的有7所高校院所、1家企業(yè)，見圖6。按IPC分類，H01基本電器元項申請量排名第1位的是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，其申請相關(guān)專利的主要技術(shù)方向涉及催化劑電極、固體電解質(zhì)、催化材料等，申請量為221項，其中發(fā)明專利219項；授權(quán)專利134項，占該單位總申請量的60.6%，說明該單位在SOFC研發(fā)方面的技術(shù)實力和自主創(chuàng)新能力較強(qiáng)。排名第2位～第5位的分別為哈爾濱工業(yè)大學(xué)、三星SDI株式會社、清華大學(xué)和華中科技大學(xué)，申請總數(shù)為621項。在這四個申請人中，三星株式會社的技術(shù)方向范圍最廣，除電極制造方法低于哈爾濱工業(yè)大學(xué)外，其余各方向?qū)＠麛?shù)量均最多。

圖6 SOFC相關(guān)專利申請量前8位的申請人

2.4 主要研究機(jī)構(gòu)

目前，世界范圍內(nèi)，SOFC已進(jìn)入商業(yè)示范應(yīng)用階段。由風(fēng)險投資基金支持的美國Bloom Energy公司已在加州為Google、eBay、Wal Mart等公司提供了數(shù)百套燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)。截至2020年，該公司已累計投放350 MW的SOFC產(chǎn)品，其中近半數(shù)投放于加利福尼亞州。公司主要產(chǎn)品為Bloom Energy Server，現(xiàn)已更新至第五代，完成了對200 kW的SOFC系統(tǒng)測試，據(jù)稱發(fā)電效率可以達(dá)到65%，處于世界領(lǐng)先水平。但在MW級SOFC的開發(fā)集成上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到低于900美元/kW的目標(biāo)。日本的SOFC發(fā)展主要由NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)New Energy and Industrial Technology Development Organization,Japan)推動，目標(biāo)為到2024年，SOFC發(fā)電效率超過65%(低熱)，壽命達(dá)130 000 h等。主要項目為SOFC系統(tǒng)重點技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)驗證，主要研發(fā)機(jī)構(gòu)包括愛信精機(jī)、大阪燃?xì)狻⒕┐珊拓S田汽車等企業(yè)。2017年，工業(yè)用的SOFC燃料電池已開始進(jìn)入商用化階段。歐洲SOFC技術(shù)同樣已基本成熟，主要SOFC Micro-CHP(熱電聯(lián)產(chǎn)Combined Heat and Power)的代表公司包括瑞士的Sulzer Hexis，英國Ceres Power，意大利的Solidpower，丹麥Topsoe Fuel Cell，德國Bosch Thermotechmology、Solid等。其中Ceres Power技術(shù)較為先進(jìn)。

國外的SOFC技術(shù)和產(chǎn)業(yè)一直對中國實施封鎖，中國只能走自主開發(fā)的路線。其研發(fā)難度高且投入巨大，令國內(nèi)不少企業(yè)望而卻步。我國研究燃料電池的機(jī)構(gòu)主要有中科院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)、中科院寧波材料所、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、華中科技大學(xué)等高校、科研院所，近年也有包括蘇州華清、潮州三環(huán)、濰柴動力等企業(yè)涉足。主要的研發(fā)團(tuán)隊包括：中科院大連化物所程謨杰團(tuán)隊，華中科大鄒春、李曦、蔣建華團(tuán)隊，哈工大秦江、熊岳平、姬志行團(tuán)隊，福州大學(xué)陳孔發(fā)、彭開萍團(tuán)隊，清華大學(xué)韓敏芳團(tuán)隊和中科院寧波材料所官萬兵團(tuán)隊。

科研院所、高?；臼菄鴥?nèi)第一批“973”計劃項目的參與單位，研發(fā)實力很強(qiáng)，但后續(xù)工業(yè)化需大量資金，部分科研院所和高校紛紛成立企業(yè)進(jìn)行研發(fā)運營，催生出蘇州華清京昆新能源科技有限公司、吉世爾(合肥)能源科技有限公司和寧波索福人能源技術(shù)有限公司等，在SOFC關(guān)鍵材料、元器件等方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化嘗試。近年來，更有濰柴動力、中廣核、晉煤集團(tuán)等大型企業(yè)加入SOFC研發(fā)陣列，加速商業(yè)化步伐。

2.5 國內(nèi)代表性企業(yè)

潮州三環(huán)是國內(nèi)最早研發(fā)生產(chǎn)SOFC的企業(yè)，2004年開始研發(fā)生產(chǎn)SOFC電解質(zhì)隔膜，2012年批量生產(chǎn)SOFC單電池，2017年在國內(nèi)市場推出SOFC電堆。目前主要生產(chǎn)電解質(zhì)隔膜和單電池，是全球最大的SOFC電解質(zhì)隔膜供應(yīng)商，歐洲市場最大的SOFC單電池供應(yīng)商。

徐州華清京昆能源有限公司在國內(nèi)率先實現(xiàn)了SOFC關(guān)鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)貫通，完成國內(nèi)首個15 kWSOFC示范項目，建成國內(nèi)首條SOFC自動化生產(chǎn)線，是我國第一家SOFC走向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。目前，年產(chǎn)電池片100萬片、電堆4萬套、重整設(shè)備1 500套，總年產(chǎn)能25 MW。

濰柴動力于2018年收購英國低成本固體氧化物燃料電池開發(fā)商CeresPower20%的股權(quán)，并在濰坊成立合資公司，使用SteelCellTM技術(shù)，針對于客車、卡車和特定的發(fā)電市場，生產(chǎn)銷售燃料電池系統(tǒng)、電堆和電池片。目前已獲山東省國資委批復(fù)，募資15.13億元用于SOFC及關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)化項目。

中廣核集團(tuán)中廣核研究院有限公司于2018年9月，同哈工大(深圳)簽訂“固體氧化物燃料電池聯(lián)合研發(fā)戰(zhàn)略合作協(xié)議”。目前已承擔(dān)一些國家、深圳市的科研項目，下一步，將聚焦于SOFC系統(tǒng)集成和輔助系統(tǒng)的研發(fā)，包括重整器，燃燒器，熱交換器，染料壓縮機(jī)，控制器等。

整體而言，國內(nèi)SOFC企業(yè)大多在研發(fā)、做示范工程，真正具備量產(chǎn)能力的只有潮州三環(huán)，華清在試產(chǎn)中，臨近規(guī)?；慨a(chǎn)。

3 結(jié) 語

綜合來看，中國目前對固體氧化物燃料電池的研究開發(fā)業(yè)已取得了很大的進(jìn)展，但離商業(yè)化還有一定距離。SOFC的發(fā)展離不開政府的引導(dǎo)和大力支持，大學(xué)、政府和企業(yè)的“政產(chǎn)學(xué)研用”合作機(jī)制也是SOFC發(fā)展的重要推動力。

在“雙碳”目標(biāo)背景下，SOFC排放的二氧化碳濃度高達(dá)90%左右，利于捕集和利用，符合政策要求，同時，我國能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，SOFC還可作為新能源發(fā)電調(diào)峰的主力軍。在專利申請方面應(yīng)注重與應(yīng)用場景結(jié)合的產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)突破，諸如加大對大功率電堆模組、高效的熱平衡系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制策略等大功率SOFC系統(tǒng)研發(fā)，繼續(xù)提高功率密度，加強(qiáng)專利技術(shù)質(zhì)量與轉(zhuǎn)化率的提升，助推我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和煤炭的清潔利用。