【原】氫云研究：從專利角度看中國固體氧化物燃料電池(SOFC)的商業化之路

大頭說干貨 2022-02-20

展開全文

氫云鏈：氫能和燃料電池產業平臺。微信：chencjn168，申請入群請附名片

SOFC（工作溫度 600~1000℃）是以復合氧化物為電解質，不需要其他貴金屬催化劑，可以直接使用現有的各種含碳燃料，例如煤氣、合成氣、天然氣、液化石油氣等。與其他燃料電池比較，SOFC發電效率最高 (綜合發電效率約 80%)并可以和現有能源供應系統兼容，被認為是本世紀最有應用前景的綠色高效發電系統之一。

歐洲和北美已有多個供給碳氫燃料的 SOFC 示范項目。日本尼桑公司在 2016 年試運行了一款以乙醇為燃料的 SOFC 汽車。此外 SOFC 工作溫度較高，相較于 PEMFC 可允許電極溫升大，其水、熱管理也相對簡單。

1980 年代后期SOFC研究得到蓬勃發展，以美國西屋電氣公司為首的歐洲、日韓等企業開始了 SOFC 的商業化探索。我國從 2007 年開始開展 SOFC 相關關鍵材料和基礎科學研究，基本實現了諸多核心關鍵技術突破，目前擁有自主知識產權，基本實現了 SOFC關鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發電系統四部分技術全線貫通，但由于起步晚，仍處于初步探索階段。

在“雙碳”目標背景下，SOFC 技術將有利助推我國能源結構綠色低碳轉型和煤炭清潔利用。

在此背景下，本文采用《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》和《航空用燃料電池及混合電推進系統發展綜述》兩篇文獻內容，根據1991 年 1 月 1 日—2020 年 12 月 31 日已經公開的相關專利數據，重點從專利角度解讀中國固體氧化物燃料電池(SOFC)發展階段。結論為：中國目前對固體氧化物燃料電池的研究開發業已取得了很大的進展，但離商業化還有一定距離。SOFC 的發展離不開政府的引導和大力支持，大學、政府和企業的 “政產學研用”合作機制也是 SOFC 發展的重要推動力。

圖1專利申請趨勢圖

來源：《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》

如圖 1所示，可以看出: 2000 年以前，全球專利申請數量平均每年約 13 項，表明 SOFC產業發展緩慢 ; 2001—2019 年，申請量2019 年達到峰值 (726 項)，約是 2001 年 8.7 倍。截至 2020 年底， SOFC 相關專利申請 8187 項，中國 5 100 項排名第一。

從圖 2 可見，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趨勢基本一致，申請數量占比逐漸增大， 特別是 2012 年，我國布局了第一個 SOFC 方向的 973 項目，國對 SOFC 的關注度逐漸升高，專利申請數量逐年上升。

圖 2 中國專利申請趨勢圖

來源：《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》

如圖 3所示，從1991起，直到2001年，第1項SOFC 專利才獲得授權。 到 2004 年，共授權 78 項，平均年授權量僅 5.5 項，授權率很低 。2005—2014 年，專利授權呈現快速上升，2014 年達峰值。2020 年授權數大幅下降的原因可能為 2016—2017 年專利申請數量降低有關。

圖 3 授權專利趨勢圖

來源：《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》

有質量的專利是指具有新穎性、創造性、實用性以及法律效力穩定的專利，其中創造性對專利的技術質量起直接決定作用。 分析 SOFC 相關專利的法律狀態構成可見，相關授權專利共 5602 項(含授權后放棄、失效的專利)，占總申請量的 68.4%．失效專利 3317 項，占總申請量的37.6% ;有效專利 3 686 項，占總申請量的 45.0%，占總授權量的 65.8%．未繳年費專利 1843 項，占總授權量的 33.0%，占失效專利的 55.6%。

從數據上看，SOFC 專利授權率較高，反映出目前 SOFC 專利質量相對較高，創新性較強。 專利的實用性意味著其經濟價值或市場前景，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，反映出相關專利未能實現技術轉移。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。

由表 1 可見，SOFC 相關專利以公司和高校院所為主，公司申請最多占申請總數的 58.2%。其次為高校院所占比 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，轉化效果較差。

表 1 SOFC 相關專利申請人類型情況統計

來源：《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》

排名前 8 位中第 1 位的是中國科學院大連化學物理研究所，其申請相關專利的主要技術方向涉及催化劑電極、固體電解質、催化材料等，申請量為 221 項，其中發明專利 219 項 ; 授權專利 134 項，占該單位總申請量的 60．6%，說明該單位在SOFC 研發方面的技術實力和自主創新能力較強。排名第 2 位～第 5 位的分別為哈爾濱工業大學、三星 SDI 株式會社、清華大學和華中科技大學，申請總數為 621 項。在這四個申請人中，三星株式會社的技術方向范圍最廣，除電極制造方法低于哈爾濱工業大學外，其余各方向專利數量均最多。

圖 4 SOFC 相關專利申請前8排名

來源：《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》

目前，世界范圍內，SOFC 已進入商業示范應用階段。由風險投資基金支持的美國 Bloom Energy 公司已在加州為 Google、eBay、Wal Mart 等公司提供了數百套燃料電池分布式發電系統。截至 2020 年，該公司已累計投放 350 MW 的 SOFC 產品，其中近半數投放于加利福尼亞州。公司主要產品為 Bloom Energy Server，現已更新至第五代，完成了對 200 kW 的 SOFC 系統測試，據稱發電效率可以達到 65%，處于世界領先水平。但在 MW 級 SOFC 的開發集成上還遠遠未能達到低于 900 美元/ kW 的目標。

日本的 SOFC 發展主要由 NEDO ( 日本新能源產業技術綜合開發機構 New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan ) 推動,目標為到 2024 年，SOFC 發電效率超過 65% (低熱)，壽命達 130000 h 等。主要項目為 SOFC 系統重點技術的開發和工業驗證，主要研發機構包括愛信精機、大阪燃氣、京瓷和豐田汽車等企業。2017 年，工業用的 SOFC 燃料電池已開始進入商用化階段。歐洲的SOFC 技術同樣已基本成熟，主要 SOFC Micro－CHP(熱電聯產 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 Ther- motechmology、Solid 等。其中 Ceres Power 技術較為先進。

國外的 SOFC 技術和產業一直對中國實施封鎖，中國只能走自主開發的路線。其研發難度高且投入巨大，令國內不少企業望而卻步。我國研究燃料電池的機構主要有中科院大連化學物理研究所、清華大學、中科院寧波材料所、中國科學院上海硅酸鹽研究所、華中科技大學等高校、科研院所，近年也有包括蘇州華清、潮州三環、濰柴動力等企業涉足。主要的研發團隊包括 : 中科院大連化物所程謨杰團隊，華中科大鄒春、李曦、蔣建華團隊，哈工大秦江、熊岳平、姬志行團隊，福州大學陳孔發、彭開萍團隊，清華大學韓敏芳團隊和中科院寧波材料所官萬兵團隊。

科研院所、高校基本是國內第一批 “973”計劃項目的參與單位，研發實力很強，但后續工業化需大量資金，部分科研院所和高校紛紛成立企業進行研發運營，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有限公司等，在 SOFC 關鍵材料、元器件等方面進行產業化嘗試。 近年來，更有濰柴動力、中廣核、晉煤集團等大型企業加入 SOFC 研發陣列，加速商業化步伐。

潮州三環是國內最早研發生產 SOFC 的企業，2004 年開始研發生產 SOFC 電解質隔膜，2012 年批量生產 SOFC 單電池，2017 年在國內市場推出 SOFC 電堆。目前主要生產電解質隔膜和單電池，是全球最大的 SOFC 電解質隔膜供應商，歐洲市場最大的 SOFC 單電池供應商。

徐州華清京昆能源有限公司在國內率先實現了 SOFC 關鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發電系統技術知識產權全產業鏈技術貫通，完成國內首個15 kWSOFC 示范項目，建成國內首條SOFC 自動化生產線，是我國第一家SOFC走向產業化生產的企業目前，年產電池片 100 萬片、電堆 4 萬套、重整設備 1 500 套，總年產能 25 MW。

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

中廣核集團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合研發戰略合作協議”。目前已承擔一些國家、深圳市的科研項目，下一步，將聚焦于 SOFC 系統集成和輔助系統的研發，包括重整器，燃燒器，熱交換器，染料壓縮機，控制器等。

整體而言，國內 SOFC 企業大多在研發、做示范工程，真正具備量產能力的只有潮州三環，華清在試產中，臨近規模化量產。

最后，綜合來看，中國目前對固體氧化物燃料電池的研究開發業已取得了很大的進展，但離商業化還有一定距離。SOFC 的發展離不開政府的引導和大力支持，大學、政府和企業的 “政產學研用”合作機制也是 SOFC 發展的重要推動力。

在“雙碳”目標背景下，SOFC 排放的二氧化碳濃度高達 90% 左右，利于捕集和利用，符合政策要求，同時，我國能源結構向綠色低碳轉型，SOFC 還可作為新能源發電調峰的主力軍。