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氢燃料电池动力系统主题国际态势分析

时间:  2020-05-05 22:31  来源:  高科技与产业化   作者:  马嘉虹


文/马嘉虹

 

氢燃料电池动力系统即使用氢燃料电池发动机代替了传统燃油发动机,使用储氢罐代替了油箱,通过燃料电池的氢氧电化学反应,产生电能通过电动机驱动车辆行驶。氢燃料电池汽车与其他类型的汽车相比有如下优点:

 

 
 
 
 
 

氢燃料电池汽车对环境(空气、土壤等)没有污染,只会向环境排放水,不产生温室气体;

 
 
 
 

氢燃料电池汽车的能量转化效率可达60%,为传统内燃机的2~3倍;

 
 
 
 
氢燃料来源广泛,氢是宇宙中存量最丰富的元素, 氢气可以由石油化工、钢铁工业、氯碱工业等副产物、电解水、甲醇裂解、甲烷重整等多个渠道获得。
 
 
 
 
 

燃料电池汽车运行时相对安静,噪声值在55dB左右,有利于营造一个更加舒适安静的城市交通环境;

 
 
 
 

与电动汽车相比,氢燃料电池汽车的续航里程更长,充氢时间很短,与燃油车加油时间相当,能够提供更加优良的用户体验;

 

氢燃料电池汽车的核心系统主要包括氢燃料电池发动机和车载氢系统。氢燃料电池发动机主要包括燃料电池电堆、空压机、膜增湿器等,主要功能是为燃料电池汽车提供动力来源。车载氢系统主要由高压储氢瓶和氢气调节系统等组成,主要功能是存储氢气,并为氢燃料电池发动机供应适当压力、足够流量的氢气。

 

对氢燃料电池动力系统领域的文献以及专利态势进行了全面深入的分析,包括文献的产出分析、国家地区的文献被引频次分析、技术领域的主题分析,专利的申请趋势、主要申请人、技术来源国等。得知氢燃料电池动力系统领域处于快速发展阶段,我国在该技术领域目前处于稳步上升阶段。为氢燃料电池动力系统领域的相关研究机构和企业提供了一个宏观的研究概况,为全面了解氢燃料电池动力行业的整体趋势提供了参考。

 

 
研究前沿态势分析
 

 

为检索出与“氢燃料电池动力系统”相关的研究与综述论文,根据专家提供的检索词,构建检索策略1, 在ISI Web of Science-SCI 数据库中,按照文献类型Article 和Review进行筛选,共获得4105篇论文(检索时间2019 年9月)。检索出的数据采用Excel、Derwent Data Analyzer(DDA)等工具进行分析。

 

01
 
研究产出基本情况分析

 

1.1
研究趋势分析

 

从检出结果看,被引频次最高的一篇文章是Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes( 氢在单壁碳纳米管中的储存),作者为美国学者Dillon, AC, 发表的时间为1997年文章,文中描述了气体可以在窄的单壁纳米管(SWNTs)内凝结成高密度,在标准介孔活性炭内不产生吸附的条件下,氢气将在SWNTs 内凝结,并指出这些材料的高氢吸收率表明,它们可能是一种有效的燃料电池电动汽车储氢材料。从图1中可以看出,纵观整个研究历程,前期发文量少,时断时续,研究进展缓慢。进入20世纪末期,发文量增长趋势逐渐明显,一直呈快速增长态势,2017年发文量达378篇。

 

▲ 图1 氢燃料电池动力系统研究SCI论文年代分布

 

1.2
国家(地区)分布

 

全球共有79个国家(地区)开展了氢燃料电池动力系统的研究,其前二十位的国家排名见下图( 图2)。发文量前十位的国家分别是中国、美国、德国、韩国、意大利、日本、英国、加拿大、法国、印度。从国家角度看,中国在该主题的研究中占有较大优势,其发文量占全部论文的15.3%;位居第二位的是美国,其发文量占全部论文的14.6%。位于第三位的是德国,其发文量占全部论文的6.8%。在亚洲各国中,位居第二位的是韩国,占总发文量的6.3%,处于排行榜的第四位;日本次之,处于全球第六的排名,整体看在氢燃料电池动力系统领域亚洲、欧美在该领域发文量处于领先地位。

 

▲ 图2 氢燃料电池动力系统研究SCI论文国家(地区)分布

 

1.3
机构分布

 

1.3.1 全球机构分布情况

 

表1列出了全球发表的关于氢燃料电池动力系统的前二十位发文机构。其中,中国占据了5家,韩国有3家,德国有2家,意大利有2家, 有1家机构的国家分别是日本、新加坡、法国、印度、英国、马来西亚、丹麦、美国,可见机构研究力量相对集中。发文量排名前5位的机构依次是中国科学院、尤里希研究中心、清华大学、韩国高级科技研究所、都灵理工大学。前二十位发文机构均为高校和科研院所。

 

表1 氢燃料电池动力系统研究SCI论文全球研究机构分布情况

 

1.3.2 中国机构分布情况

 

表2列出了中国发表的关于氢燃料电池动力系统的前十位发文机构,分别有:中国科学院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、北京化工大学、武汉理工大学、同济大学、华南理工大学、天津大学。其中中科院与清华大学在氢燃料电池动力系统领域发文量遥遥领先。

 

表2 氢燃料电池动力系统研究SCI论文中国研究机构分布情况

 

1.3.3 机构合作情况分析

 

在氢燃料电池动力系统领域发文TOP20机构的合作关系中,可看出机构之间独立发文和合作发文的情况。其中合作较多的机构为清华大学、尤里希研究中心。清华大学在能源与燃料方面有两篇文章与亚琛工业大学、尤里希研究中心共同合作;与中科院有4篇合作,合作方向为电化学、化学;有10篇与尤里希研究中心合作,合作内容为能源与燃料、化学、电化学方面;除上述合作外,尤里希研究中心还与亚琛工业大学合作了19篇,研究方向为电化学、能源燃料、化学、材料科学。整体来看,全球合作较多,合作内容多为能源燃料方向。

▲ 图3 氢燃料电池动力系统研究机构合作分布

 

1.4
期刊分布

 

该主题发表论文涉及期刊490多种,发文量最多的前五种期刊分别是: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响因子平均值为5.5133。

 

表3 氢燃料电池动力系统研究SCI论文发表期刊分布情况


1.5
高被引论文

 

表4为氢燃料电池动力系统研究SCI 热点论文前20名情况,前20名当中55% 的作者来自美国, 22% 来自加拿大。Dillon, AC 等1997 年发表在nature 上的文章以3232的引用量排在第一名。

 

表4 氢燃料电池动力系统研究SCI热点论文

 

02
 
国家(地区)被引频次分析

 

对全球发表的关于氢燃料动力系统研究论文的被引频次进行分析,以国家进行累积加和,并计算其篇均被引频次(表5)。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小,其中,总被引次数表示国家在该研究领域的影响力,篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。

 

从被引总频次来看,前10位依次是美国、中国、德国、加拿大、意大利、英国、日本、韩国、法国、瑞士。从篇均被引来看,前10位依次是瑞士、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰、德国、丹麦、英国、日本、马来西亚。美国总被引频次达41602,遥遥领先于其它国家;其篇均被引频次为56.60,排名第二。篇均被引量最高的国家为瑞士说明其发表论文非常受业内关注。中国的总被引排名第二,为17559,篇均却排名第13,较落后,为22.83。

▲ 图4 氢燃料电池动力系统SCI论文前10位国家发文量-篇均被引频次

 

表5 氢燃料电池动力系统SCI论文国家/地区被引情况

 

03
 
研究主题分析

 

3.1
研究主题关键词分析

 

根据检索出的文献,通过DDA 分析工具对关键词进行分析,排除无效概念,得到关于氢燃料电池动力系统研究所涉及的高频关键词。将主题关键词进行筛选、聚类后,按照聚类后的研究主题如表6所示。主要将关键词分为三类,其中词频数最高的为电堆主题分类下的关键词,共计有上千余次。

 

表6 氢燃料电池动力系统研究领域主题频词分析


3.2
研究主题相关性分析

 

根据检索出的文献,通过TDA 分析工具对关键词进行分析,排除无效概念,得到氢燃料电池动力系统所涉及的高频关键词。将主题关键词分为三类,基于汽车的系统、功率等参数性质;关于电堆、层;以及催化剂等(图5)。在基于汽车的系统、功率等参数性质方面,主要探究其系统、各种功率指标等;在电堆、层方面更加关注燃料电池组微观结构、双极板、各种类型的层级等方面;催化剂方面焦于电催化等方面。

▲ 图5 氢燃料电池动力系统领域主题相关关系图

 

3.3
关键技术时间分布

 

将氢燃料电池动力系统研究中涉及的技术关键词进行时间序列分析,以了解该研究领域内关键技术的发展趋势。可以发现,关于氢燃料电池动力系统的各项技术在前期发展均时断时续较为缓慢,在21世纪初,均得到大幅度的增长,增长较为迅速、均衡。

▲ 图6 氢燃料电池动力系统研究关键技术时间分布趋势

 

3.4
研究主题国家分布

 

分析发文量前十位国家在氢燃料电池动力系统研究中各研究方向的主题分布,可以看出,中国在电堆、质子交换膜燃料电池成果较为丰硕;美国在产氢、催化剂、电堆方面较多整体较为均衡;其他国家中,韩国在电堆、质子交换膜燃料;意大利在产氢、固体氧化物燃料电池、电堆方面较为突出。

▲ 图7 氢燃料电池动力系统研究主题国家分布

 

04
 
小节

 

本部分对氢燃料电池动力系统的国际基础性研究进行了文献分析,通过分析从整体上把握该领域国际发展态势,为科学决策提供支撑。

 

(1)氢燃料电池动力系统国际发展态势

 

全球对氢燃料电池动力系统的研究已有五十多年历史,但呈规模化发展始于本世纪初,此后一直呈快速上升的发展态势。全球关于氢燃料电池动力系统的研究涉及近80个国家(地区),中国是这方面研究最多的国家。从机构角度来看, 排名前二十的机构中国占25% 韩国占15%,中韩两国实力很强。中国的中国科学院排在全球首位。

 

(2)氢燃料电池动力系统主要研究内容

 

从氢燃料电池动力系统研究所涉及的高频关键词可以看出主要研究内容涉及催化电堆、以及车辆整体系统等方面。对氢燃料电池动力系统的研究主要以研究机构和大学为主,中国在氢燃料电池动力系统领域的研究已处于国际领先地位。

 

 
研发
 

 

在Derwent Innovation(DI)数据库中3, 共检索到773条专利文献(检索时间2019年9月)。对检索出的数据采用DDA、DI 和Excel 等工具进行分析,结果如下。

 

01
 
总体情况分析

 

1.1
专利申请时间分布

 

从全球的氢燃料电池动力系统技术专利申请来看,氢燃料电池动力系统的专利技术最早可追溯到上世纪七十年代。在2005年前,全球氢燃料电池动力系统专利年申请量整体不超过30条,进入2005年后,全球关于氢燃料电池动力系统的专利申请量呈逐年稳步上升的态势。其中,2015年专利申请量近90件。申请量最多的前5位国家分别是韩国、美国、日本、中国、德国。韩国是申请氢燃料电池动力系统专利最多的国家。中国自2003年就有相关专利申请,前期发展缓慢,近十年来中国发展稳步上升。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同。与文献分析相比,在专利方面韩国、美国、日本、德国这些拥有老牌汽车工业企的国家表现优异,在文献方面表现突出的中国在专利数量排名第四位,意大利则由文献的第五名排名至专利的地十三名。

▲ 图8 氢燃料电池动力系统技术国内外专利申请时间演化图


1.2
专利申请国家(地区)分布

 

从专利技术的国家(地区)来源来看,韩国的专利技术最多,占总数的25% ;其次是美国, 占总数的23%,第三名是日本,占比20%。从专利技术的市场分布来看,专利主要分布于美国、中国、日本、韩国。从图9和图10可以看出, 中国是氢燃料电池动力系统技术的输入国,其技术来源比例低于市场应用的比例。

 

▲图9 氢燃料电池动力系统专利技术来源国家(地区)分布

▲图10 氢燃料电池动力系统专利技术市场国家(地区)分布

 

1.3
主要专利权人分析

 

从检索结果看,约有500家机构活跃在氢燃料电池动力系统研发领域。专利申请数量位居前9位机构均为企业(表7),且多为跨国公司。其中韩国、日本均有三家企业,美国有两家企业, 中国有一家企业。

 

表7 氢燃料电池动力系统主题的主要专利申请人


1.4
中国专利权人情况分析

 

中国排名前三的企业分别是上海合既得动氢机器有限公司、东莞市绿能宝汽车配件技术有限公司、广东合即得能源科技有限公司。上海合既得动氢机器有限公司主要经营包括移动制氢机、发电机、环保专用设备(以上除特种设备)等;东莞市绿能宝汽车用品科技有限公司经营范围包括研发、产销:汽车用品、汽车配件、环保设备等;广东合即得能源科技有限公司是一家生产HMRI 系列高纯动氢机、HMRIE 系列水氢发电机的公司。

 

表8 中国专利权人情况分析


1.5
专利权人合作情况分析

 

分析排名前17名企业间的合作,发现合作程度非常低,只有现代和起亚有合作展开,合作主要集中于混合动力汽车的内燃机、发动机舱等方面。

 

▲图11 氢燃料电池动力系统领域专利权人合作关系图

 

02
 
技术主题分析

2.1
专利研发技术热点分布

 

基于专利题名和摘要关键词绘制氢燃料电池动力系统主题布局专利地图,由图12可以看出, 氢燃料电池动力系统领域关注主题明显集中于混合动力汽车、电动发动机、燃料系统、氢发生器、氢传感器、低温发动机、飞行器、环氧化合物等方面。

▲图12 氢燃料电池动力系统领域专利申请布局


2.2
主要国家专利技术主题分布

 

将氢燃料电池动力系统领域的专利申请按照德温特手工代码进行专利技术分类,其中前十位的德温特手工代码含义如表9所示。

▲图13 主要国家专利申请技术主题分布

 

表9 氢燃料电池动力系统领域前10位专利分类

 

按照专利申请前10位的国家和前10位的德温特手工代码分类进行专利权人-专利技术领域分析。发现韩国在运动训练器材的动力电池计算机处理;美国、日本在燃料电池汽车、电动汽车方面布局较多。

 

03
 
小结

 

本部分对氢燃料电池动力系统主题进行了专利文献分析。

 

全球专利文献中关于氢燃料电池动力系统的研究可以回溯到上世纪七十年代,进入2005年后,专利申请量才呈快速上升的发展态势。中国在氢燃料电池动力系统方面的研究起步较晚,目前处于稳步上升阶段。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同。

 

全球关于氢燃料电池动力系统的研究涉及20多个国家/地区,韩国是这方面研究最多的国家,其次是美国。中国专利以企业为主。

 

在全球开展氢燃料电池动力系统研究的机构中,前十位均为企业,主要是一些全球知名的汽车制造商,日本、韩国、美国在氢燃料电池动力系统领域更贴近市场应用。我国进入前9的研究机构有一家企业。

 

氢燃料电池动力系统研究所涉及的技术主题主要包括混合动力汽车、电动发动机、燃料系统、氢发生器、氢传感器、低温发动机、飞行器、环氧化合物等方面。

 

参考文献

1 检索策略: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 期刊影响因子数据来源:JCR Science Edition 2018

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

 

本文来源:《高科技与产业化》2020年1月号总第284期,作者单位 :中科院文献情报中心咨询服务部

 


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