来源：第一电动网      作者：中汽院北京分院

燃料电池汽车的研究和示范关键在于燃料电池催化剂、质子交换膜、碳纸、膜电极组件、双极板等关键材料批量生产能力建设和质量控制技术研究。本文选取双极板、催化剂、质子交换膜三个重点技术进行专利分析，分析维度涵盖申请趋势、国别分布、专利申请人、技术构成等。

一 双极板

双极板是将PEMFC单电池串联起来组成电池堆的关键部件，主要起分隔氧化剂和还原剂以及收集电流的作用，它具有以下特点：良好的阻气功能；导电、导热性能好；较低的体电阻和接触电阻；耐腐蚀性强；质量轻、强度高、适于批量加工等。因此，双极板不但对电池的体积、重量、成本等影响较大，同时对燃料电池的电性能也有很大的影响。有文献表明，双极板的质量占整个电堆质量的60%-70%，其成本占总成本的46%。

下图是全球双极板专利申请随时间的变化趋势，截至2015年9月30日，全球双极板的专利申请总量为20863件，专利申请总体呈现先快速增长、后缓慢下降的趋势，在2005年后进入缓慢下降期。

下图是全球专利申请主要国家分布，双极板的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，五大区域的专利申请量分布较为均衡，美国申请量最多，为4295件，占比21%。

全球专利申请量排名前十的申请人中，日本4家，美国2家，德国2家，韩国1家，加拿大1家，说明日本、美国在燃料电池双极板方面具有相对优势，其中日本企业集体优势明显，丰田、本田分别以1023件、951件排名前两位。美国企业通用位居第三。

在中国区域的专利申请中，本土申请为793件，占比32%，来华申请为1681件，占比68%。在来华申请中，申请人主要来自日本和美国。

中国区域专利申请量排名前十的申请人中，有国外企业7家，国内企业3家，通用专利申请量最多，其次为丰田、松下、三星，国内企业中新能源动力股份有限公司排名第五，说明国内在燃料电池双极板研究方面，已形成了一定的知识成果。

双极板的技术构成中，共分无孔结构材料、有孔结构材料、极板形状、流场结构、散热结构等五部分进行分析。如下图所示，专利申请主要集中在材料、极板形状、双极板流场结构上，其中，双极板材料占比最高，无孔结构材料和有孔结构材料共同占比达62%。

在双极板材料的构成中，有孔结构材料的专利申请多集中在复合材料，占39%，其次是金属或合金，占26%；无孔结构材料的专利申请多集中在复合材料、碳材料、金属或合金，占比分别为31%、28%、22%。

流场的基本功能是引导反应剂的流动方向，确保反应剂均匀分配到电极各处，同时能及时排出电池运行过程中的生成物。而双极板表面的流场形式决定了反应气与生成物在流场内的流动状况，因此，双极板表面流场形式对燃料电池性能及运行效率均有重大影响。

通过对双极板的流场结构进行分析，得知：在双极板的流场结构中，蛇形弯曲型专利申请量最多，占50%，其次是可变截面型和沟槽型，两者专利申请情况相当。

双极板形状构成中，波纹型专利申请量最多，占57%，其次是管状型和通道型，占比均为20%左右。

技术功效矩阵图是一种对专利技术内容进行深层次分析的有效方法。通过技术功效矩阵分析，可以一目了然地掌握“专利雷区”和“专利空白区”分布情况，可有效加强“专利部署”，在了解技术现状、分析竞争对手和协助制定技术发展战略方面具有重要作用。在本报告中，针对无孔结构材料和有孔结构材料进行进一步的功效矩阵分析，结果如下：

无孔结构材料中，蛇形弯曲型的专利申请主要集中在复合材料、其次是金属/合金、聚合物；沟槽型的专利申请主要集中在复合材料，其次是金属/合金；可变截面型的专利申请主要集中在金属/合金、复合材料。

有孔结构材料中，蛇形弯曲型的专利申请主要集中在复合材料、碳材料；沟槽型的专利申请主要集中在复合材料，其次是碳材料；可变截面型的专利申请主要集中在碳材料、复合材料。

二 质子交换膜

下图是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，全球质子交换膜的专利申请总量为12014件，专利申请总体呈现先快速增长、后缓慢下降的趋势，在2006年后进入缓慢下降期。

在国别分布中，专利申请主要集中在美国、世界知识产权组织（WIPO）、欧洲专利局（EPO）、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最多，占比均达到20%，欧洲专利局和日本次之，占比为13%左右。

全球专利申请量排名前十的申请人中，日本5家、美国2家、韩国1家、加拿大1家、德国1家，说明日本、美国在质子交换膜方面具有相对优势，其中日本企业集体优势明显，在排名前六位的申请人中，有5家为日本企业，丰田居第一位。

在中国区域的专利申请中，本土申请为49件，占比5%，来华申请为1047件，占比95%。在来华申请中，申请人主要来自日本、美国、韩国、德国。

中国区域专利申请量排名前十的申请人中，全部为国外企业。其中，通用、丰田、三星的专利申请量最多。

在质子交换膜的技术构成中，合成高分子化合物的专利申请约占76%，异相膜的专利申请约占24%。

通过对质子交换膜的功效矩阵分析，可知：质子交换膜的专利申请均将安全稳定性放在重要位置。除此之外，MEA组件的专利申请还集中在提高交换效率上。

三 催化剂

下图是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，全球催化剂的专利申请总量为12955件，专利申请趋势总体可分为三个阶段，先后经历快速增长期（1994-2003年）、平稳发展期（2004-2011年）、缓慢下降期（2012-2015年）。

在催化剂专利申请主要国家分布中，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，分布在美国和世界知识产权组织的专利数占比均超过20%，欧洲专利局和日本的专利数占比在12-14%之间。

全球专利申请量排名前十的申请人中，日本5家，德国2家，韩国1家，美国1家，英国1家，说明日本、德国在燃料电池催化剂方面具有相对优势，其中日本企业集体优势明显，排名前六位的企业中有5家为日本企业，且丰田居第一位。

在中国区域的专利申请中，本土申请为70件，占比6%，来华申请为1019件，占比94%。在来华申请中，申请人主要来自日本、美国，其次是韩国、德国。

中国区域专利申请量排名前十的申请人中，全部为国外企业。其中，通用、三星的专利申请量最多，其次是通用和松下。

催化剂的技术构成中，共分铂族金属、催化剂载体、金属或合金、金属氧化物、有机或有机金属化合物等五部分进行分析。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，占比22%；催化剂载体、金属或合金也占有一定的比例，在11%-13%之间。

通过对铂族金属的技术构成进行分析，可以得出：铂族金属的专利申请主要集中在催化剂载体、合金或金属元素的混合物两大部分，占比分布为56%、35%。

通过对催化剂的功效矩阵分析，可知：催化剂的专利申请均将安全稳定性放在重要位置，其次是集中在催化剂效率方面。

四 小结

（1）双极板：

全球范围内专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织、欧洲专利局，美国专利申请量最多（占21%）；中国区域的专利中，本土申请占32%，来华申请占68%，国外申请人主要来自日本、美国。

在全球排名前十的申请人中，日本4家，美国2家，德国2家，韩国1家，加拿大1家，日本企业集体优势明显；在中国排名前十申请人中，有国外企业7家，国内企业3家，前四位均为国外企业。

在技术构成中，专利申请主要集中在材料、极板形状、双极板流场结构上，其中，双极板材料占比最高62%。在双极板材料中，有孔材料的专利申请多集中在在复合材料（39%）和金属或合金（26%）；无孔材料的专利申请多集中在复合材料（31%）、碳材料（28%）、金属或合金（22%）。

（2）质子交换膜：

全球范围内专利主要分布在日本、美国、中国、世界知识产权组织、欧洲专利局，美国和世界知识产权组织的专利申请量最多，占比均达20%；中国区域的专利中，本土申请仅占5%，来华申请占95%，国外申请人主要来自日本、美国、韩国、德国。

在全球排名前十的申请人中，日本5家、美国2家、韩国1家、加拿大1家、德国1家，前6位申请人中有5家为日本企业，日本企业集体优势明显；在中国排名前十申请人中，全部为国外企业。

在技术构成中，专利申请主要集中在合成高分子化合物领域，占比76%，其次是异相膜，约占24%。

（3）催化剂：

全球范围内专利申请主要分布在美国、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占比均超过20%；中国区域的专利中，本土申请仅占6%，来华申请占94%，国外申请人主要来自日本、美国，其次是韩国、德国。

在全球排名前十的申请人中，日本5家，德国2家，韩国1家，美国1家，英国1家，日本企业集体优势明显；在中国排名前十申请人中，全部为国外企业。

在技术构成中，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，占比22%。

在三个重点技术中，双极板领域的专利总量最多，其次是催化剂和质子交换膜。各技术分支均在美国和世界知识产权组织的专利申请量最多，在中国区域专利申请中，双极板领域的本土申请占32%，尚有一定的知识积累，但在质子交换膜和催化剂领域，本土申请占比几乎很少，大部分为国外企业控制，我国在这两个技术领域基础十分薄弱。

作者：中国汽车工程研究院股份有限公司北京分公司/知识产权项目总监/孙凤艳

文字来源: 《中国汽车产业知识产权发展报告（2016）——新能源汽车》

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