文/馬嘉虹

氫燃料電池動力系統即使用氫燃料電池發動機代替了傳統燃油發動機，使用儲氫罐代替了油箱，通過燃料電池的氫氧電化學反應，産生電能通過電動機驅動車輛行駛。氫燃料電池汽車與其他類型的汽車相比有如下優點：

①

氫燃料電池汽車對環境（空氣、土壤等）沒有污染，隻會向環境排放水，不産生溫室氣體；

③

氫燃料電池汽車的能量轉化效率可達60%，為傳統内燃機的2~3倍；

⑤

氫燃料來源廣泛，氫是宇宙中存量最豐富的元素， 氫氣可以由石油化工、鋼鐵工業、氯堿工業等副産物、電解水、甲醇裂解、甲烷重整等多個渠道獲得。

②

燃料電池汽車運行時相對安靜，噪聲值在55dB左右，有利于營造一個更加舒适安靜的城市交通環境；

④

與電動汽車相比，氫燃料電池汽車的續航裡程更長，充氫時間很短，與燃油車加油時間相當，能夠提供更加優良的用戶體驗；

氫燃料電池汽車的核心系統主要包括氫燃料電池發動機和車載氫系統。氫燃料電池發動機主要包括燃料電池電堆、空壓機、膜增濕器等，主要功能是為燃料電池汽車提供動力來源。車載氫系統主要由高壓儲氫瓶和氫氣調節系統等組成，主要功能是存儲氫氣，并為氫燃料電池發動機供應适當壓力、足夠流量的氫氣。

對氫燃料電池動力系統領域的文獻以及專利态勢進行了全面深入的分析，包括文獻的産出分析、國家地區的文獻被引頻次分析、技術領域的主題分析，專利的申請趨勢、主要申請人、技術來源國等。得知氫燃料電池動力系統領域處于快速發展階段，我國在該技術領域目前處于穩步上升階段。為氫燃料電池動力系統領域的相關研究機構和企業提供了一個宏觀的研究概況，為全面了解氫燃料電池動力行業的整體趨勢提供了參考。

研究前沿态勢分析

為檢索出與“氫燃料電池動力系統”相關的研究與綜述論文，根據專家提供的檢索詞，構建檢索策略1， 在ISI Web of Science-SCI 數據庫中，按照文獻類型Article 和Review進行篩選，共獲得4105篇論文（檢索時間2019 年9月）。檢索出的數據采用Excel、Derwent Data Analyzer（DDA）等工具進行分析。

01

研究産出基本情況分析

1.1

研究趨勢分析

從檢出結果看，被引頻次最高的一篇文章是Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes( 氫在單壁碳納米管中的儲存)，作者為美國學者Dillon, AC, 發表的時間為1997年文章，文中描述了氣體可以在窄的單壁納米管（SWNTs）内凝結成高密度，在标準介孔活性炭内不産生吸附的條件下，氫氣将在SWNTs 内凝結，并指出這些材料的高氫吸收率表明，它們可能是一種有效的燃料電池電動汽車儲氫材料。從圖1中可以看出，縱觀整個研究曆程，前期發文量少，時斷時續，研究進展緩慢。進入20世紀末期，發文量增長趨勢逐漸明顯，一直呈快速增長态勢，2017年發文量達378篇。

▲ 圖1 氫燃料電池動力系統研究SCI論文年代分布

1.2

國家（地區）分布

全球共有79個國家（地區）開展了氫燃料電池動力系統的研究，其前二十位的國家排名見下圖( 圖2)。發文量前十位的國家分别是中國、美國、德國、韓國、意大利、日本、英國、加拿大、法國、印度。從國家角度看，中國在該主題的研究中占有較大優勢，其發文量占全部論文的15.3%；位居第二位的是美國，其發文量占全部論文的14.6%。位于第三位的是德國，其發文量占全部論文的6.8%。在亞洲各國中，位居第二位的是韓國，占總發文量的6.3%，處于排行榜的第四位；日本次之，處于全球第六的排名，整體看在氫燃料電池動力系統領域亞洲、歐美在該領域發文量處于領先地位。

▲ 圖2 氫燃料電池動力系統研究SCI論文國家(地區)分布

1.3

機構分布

1.3.1 全球機構分布情況

表1列出了全球發表的關于氫燃料電池動力系統的前二十位發文機構。其中，中國占據了5家，韓國有3家，德國有2家，意大利有2家， 有1家機構的國家分别是日本、新加坡、法國、印度、英國、馬來西亞、丹麥、美國，可見機構研究力量相對集中。發文量排名前5位的機構依次是中國科學院、尤裡希研究中心、清華大學、韓國高級科技研究所、都靈理工大學。前二十位發文機構均為高校和科研院所。

表1 氫燃料電池動力系統研究SCI論文全球研究機構分布情況

1.3.2 中國機構分布情況

表2列出了中國發表的關于氫燃料電池動力系統的前十位發文機構，分别有：中國科學院、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、北京化工大學、武漢理工大學、同濟大學、華南理工大學、天津大學。其中中科院與清華大學在氫燃料電池動力系統領域發文量遙遙領先。

表2 氫燃料電池動力系統研究SCI論文中國研究機構分布情況

1.3.3 機構合作情況分析

在氫燃料電池動力系統領域發文TOP20機構的合作關系中，可看出機構之間獨立發文和合作發文的情況。其中合作較多的機構為清華大學、尤裡希研究中心。清華大學在能源與燃料方面有兩篇文章與亞琛工業大學、尤裡希研究中心共同合作；與中科院有4篇合作，合作方向為電化學、化學；有10篇與尤裡希研究中心合作，合作内容為能源與燃料、化學、電化學方面；除上述合作外，尤裡希研究中心還與亞琛工業大學合作了19篇，研究方向為電化學、能源燃料、化學、材料科學。整體來看，全球合作較多，合作内容多為能源燃料方向。

▲ 圖3 氫燃料電池動力系統研究機構合作分布

1.4

期刊分布

該主題發表論文涉及期刊490多種，發文量最多的前五種期刊分别是：INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY（1577篇）、JOURNAL OF POWER SOURCES（492篇）、JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY（103篇）、FUEL CELLS（83篇）、APPLIED ENERGY（77篇）。排名前十名的期刊的影響因子平均值為5.5133。

表3 氫燃料電池動力系統研究SCI論文發表期刊分布情況

1.5 高被引論文

表4為氫燃料電池動力系統研究SCI 熱點論文前20名情況，前20名當中55% 的作者來自美國， 22% 來自加拿大。Dillon, AC 等1997 年發表在nature 上的文章以3232的引用量排在第一名。

表4 氫燃料電池動力系統研究SCI熱點論文

02

國家（地區）被引頻次分析

對全球發表的關于氫燃料動力系統研究論文的被引頻次進行分析，以國家進行累積加和，并計算其篇均被引頻次(表5)。總被引次數和篇均被引次的高低說明研究的影響力大小，其中，總被引次數表示國家在該研究領域的影響力，篇均被引次數表示發表論文的被關注的程度。

從被引總頻次來看，前10位依次是美國、中國、德國、加拿大、意大利、英國、日本、韓國、法國、瑞士。從篇均被引來看，前10位依次是瑞士、美國、加拿大、澳大利亞、荷蘭、德國、丹麥、英國、日本、馬來西亞。美國總被引頻次達41602，遙遙領先于其它國家；其篇均被引頻次為56.60，排名第二。篇均被引量最高的國家為瑞士說明其發表論文非常受業内關注。中國的總被引排名第二，為17559，篇均卻排名第13，較落後，為22.83。

▲ 圖4 氫燃料電池動力系統SCI論文前10位國家發文量-篇均被引頻次

表5 氫燃料電池動力系統SCI論文國家/地區被引情況

03

研究主題分析

3.1

研究主題關鍵詞分析

根據檢索出的文獻，通過DDA 分析工具對關鍵詞進行分析，排除無效概念，得到關于氫燃料電池動力系統研究所涉及的高頻關鍵詞。将主題關鍵詞進行篩選、聚類後，按照聚類後的研究主題如表6所示。主要将關鍵詞分為三類，其中詞頻數最高的為電堆主題分類下的關鍵詞，共計有上千餘次。

表6 氫燃料電池動力系統研究領域主題頻詞分析

3.2 研究主題相關性分析

根據檢索出的文獻，通過TDA 分析工具對關鍵詞進行分析，排除無效概念，得到氫燃料電池動力系統所涉及的高頻關鍵詞。将主題關鍵詞分為三類，基于汽車的系統、功率等參數性質；關于電堆、層；以及催化劑等（圖5）。在基于汽車的系統、功率等參數性質方面，主要探究其系統、各種功率指标等；在電堆、層方面更加關注燃料電池組微觀結構、雙極闆、各種類型的層級等方面；催化劑方面焦于電催化等方面。

▲ 圖5 氫燃料電池動力系統領域主題相關關系圖

3.3

關鍵技術時間分布

将氫燃料電池動力系統研究中涉及的技術關鍵詞進行時間序列分析，以了解該研究領域内關鍵技術的發展趨勢。可以發現，關于氫燃料電池動力系統的各項技術在前期發展均時斷時續較為緩慢，在21世紀初，均得到大幅度的增長，增長較為迅速、均衡。

▲ 圖6 氫燃料電池動力系統研究關鍵技術時間分布趨勢

3.4

研究主題國家分布

分析發文量前十位國家在氫燃料電池動力系統研究中各研究方向的主題分布，可以看出，中國在電堆、質子交換膜燃料電池成果較為豐碩；美國在産氫、催化劑、電堆方面較多整體較為均衡；其他國家中，韓國在電堆、質子交換膜燃料；意大利在産氫、固體氧化物燃料電池、電堆方面較為突出。

▲ 圖7 氫燃料電池動力系統研究主題國家分布

04

小節

本部分對氫燃料電池動力系統的國際基礎性研究進行了文獻分析，通過分析從整體上把握該領域國際發展态勢，為科學決策提供支撐。

（1）氫燃料電池動力系統國際發展态勢

全球對氫燃料電池動力系統的研究已有五十多年曆史，但呈規模化發展始于本世紀初，此後一直呈快速上升的發展态勢。全球關于氫燃料電池動力系統的研究涉及近80個國家（地區），中國是這方面研究最多的國家。從機構角度來看， 排名前二十的機構中國占25% 韓國占15%，中韓兩國實力很強。中國的中國科學院排在全球首位。

（2）氫燃料電池動力系統主要研究内容

從氫燃料電池動力系統研究所涉及的高頻關鍵詞可以看出主要研究内容涉及催化電堆、以及車輛整體系統等方面。對氫燃料電池動力系統的研究主要以研究機構和大學為主，中國在氫燃料電池動力系統領域的研究已處于國際領先地位。

研發

在Derwent Innovation（DI）數據庫中3， 共檢索到773條專利文獻（檢索時間2019年9月）。對檢索出的數據采用DDA、DI 和Excel 等工具進行分析，結果如下。

01

總體情況分析

1.1

專利申請時間分布

從全球的氫燃料電池動力系統技術專利申請來看，氫燃料電池動力系統的專利技術最早可追溯到上世紀七十年代。在2005年前，全球氫燃料電池動力系統專利年申請量整體不超過30條，進入2005年後，全球關于氫燃料電池動力系統的專利申請量呈逐年穩步上升的态勢。其中，2015年專利申請量近90件。申請量最多的前5位國家分别是韓國、美國、日本、中國、德國。韓國是申請氫燃料電池動力系統專利最多的國家。中國自2003年就有相關專利申請，前期發展緩慢，近十年來中國發展穩步上升。中國的專利申請變化趨勢與國際專利申請趨勢大緻相同。與文獻分析相比，在專利方面韓國、美國、日本、德國這些擁有老牌汽車工業企的國家表現優異，在文獻方面表現突出的中國在專利數量排名第四位，意大利則由文獻的第五名排名至專利的第十三名。

▲ 圖8 氫燃料電池動力系統技術國内外專利申請時間演化圖

1.2 專利申請國家（地區）分布

從專利技術的國家（地區）來源來看，韓國的專利技術最多，占總數的25% ；其次是美國， 占總數的23%，第三名是日本，占比20%。從專利技術的市場分布來看，專利主要分布于美國、中國、日本、韓國。從圖9和圖10可以看出， 中國是氫燃料電池動力系統技術的輸入國，其技術來源比例低于市場應用的比例。

▲圖9 氫燃料電池動力系統專利技術來源國家（地區）分布

▲圖10 氫燃料電池動力系統專利技術市場國家（地區）分布

1.3

主要專利權人分析

從檢索結果看，約有500家機構活躍在氫燃料電池動力系統研發領域。專利申請數量位居前9位機構均為企業（表7），且多為跨國公司。其中韓國、日本均有三家企業，美國有兩家企業， 中國有一家企業。

表7 氫燃料電池動力系統主題的主要專利申請人

1.4 中國專利權人情況分析

中國排名前三的企業分别是上海合既得動氫機器有限公司、東莞市綠能寶汽車配件技術有限公司、廣東合即得能源科技有限公司。上海合既得動氫機器有限公司主要經營包括移動制氫機、發電機、環保專用設備（以上除特種設備）等；東莞市綠能寶汽車用品科技有限公司經營範圍包括研發、産銷：汽車用品、汽車配件、環保設備等；廣東合即得能源科技有限公司是一家生産HMRI 系列高純動氫機、HMRIE 系列水氫發電機的公司。

表8 中國專利權人情況分析

1.5 專利權人合作情況分析

分析排名前17名企業間的合作，發現合作程度非常低，隻有現代和起亞有合作展開，合作主要集中于混合動力汽車的内燃機、發動機艙等方面。

▲圖11 氫燃料電池動力系統領域專利權人合作關系圖

02

技術主題分析

2.1 專利研發技術熱點分布

基于專利題名和摘要關鍵詞繪制氫燃料電池動力系統主題布局專利地圖，由圖12可以看出， 氫燃料電池動力系統領域關注主題明顯集中于混合動力汽車、電動發動機、燃料系統、氫發生器、氫傳感器、低溫發動機、飛行器、環氧化合物等方面。

▲圖12 氫燃料電池動力系統領域專利申請布局

2.2 主要國家專利技術主題分布

将氫燃料電池動力系統領域的專利申請按照德溫特手工代碼進行專利技術分類，其中前十位的德溫特手工代碼含義如表9所示。

▲圖13 主要國家專利申請技術主題分布

表9 氫燃料電池動力系統領域前10位專利分類

按照專利申請前10位的國家和前10位的德溫特手工代碼分類進行專利權人-專利技術領域分析。發現韓國在運動訓練器材的動力電池計算機處理；美國、日本在燃料電池汽車、電動汽車方面布局較多。

03

小結

本部分對氫燃料電池動力系統主題進行了專利文獻分析。

全球專利文獻中關于氫燃料電池動力系統的研究可以回溯到上世紀七十年代，進入2005年後，專利申請量才呈快速上升的發展态勢。中國在氫燃料電池動力系統方面的研究起步較晚，目前處于穩步上升階段。中國的專利申請變化趨勢與國際專利申請趨勢大緻相同。

全球關于氫燃料電池動力系統的研究涉及20多個國家/地區，韓國是這方面研究最多的國家，其次是美國。中國專利以企業為主。

在全球開展氫燃料電池動力系統研究的機構中，前十位均為企業，主要是一些全球知名的汽車制造商，日本、韓國、美國在氫燃料電池動力系統領域更貼近市場應用。我國進入前9的研究機構有一家企業。

氫燃料電池動力系統研究所涉及的技術主題主要包括混合動力汽車、電動發動機、燃料系統、氫發生器、氫傳感器、低溫發動機、飛行器、環氧化合物等方面。

參考文獻

1 檢索策略：ts=(Hydrogen Fuel Cell) and ts=((fuel cell stacks) or （Spirocyclic Anion ExchangeMembranes） or （Stable Alkaline Membrane） or （Pyrophosphate Based Composite Membranes） or （Low PGM Loadings,） or （PGM-Free Catalysts） or （carbon paper） or （Nanostructured Carbon Based GasDiffusion Layers） or （GDL Media Development） or （Graphite plate） or （Metal plate） or （Composite plate） or AirCompressor* or （Regenerative Fuel Cell System） or （Polymer-based fuel cells）or (High pressure gaseous hydrogen storage) or (Liquid hydrogen storage) or (Cryogenic liquid hydrogen storage))

2 期刊影響因子數據來源：JCR Science Edition 2018

3 檢索策略：SSTO=("HYDROGEN ") AND SSTO=("CAR" OR " VEHICLE") AND SSTO=("ENGINE ");

本文來源：《高科技與産業化》2020年1月号總第284期，作者單位 ：中科院文獻情報中心咨詢服務部

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