高压气态储氢技术形势分析.pdf

第 12 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.12 No.8Aug.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology高压气态储氢技术形势分析周树辉，王秀林，段品佳，张瑜，隋依言，卢璐（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）摘要：在加速能源行业转型的背景下，氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点，氢能产业受到了国家的高度重视。氢气的稳定性极差，泄漏后易发生燃烧和爆炸，使得安全性低、储运难度大、成本高，从而对氢气的储运技术提出了更高的挑战。安全、经济、高效的储运氢已成为当前制约氢能规模应用的主要瓶颈之一。在诸多储运技术中，高压气态储氢技术为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术。本文通过对2003年以来美国、中国、日本、韩国等126个国家/地区进行数据检索，抓取高压气态储氢技术相关领域共2276条专利进行分析，分析专利申请趋势、技术聚焦点、垄断性、持有者情况和市场布局等，研究技术创新热度、申请趋势、地域布局情况和企业现状等情况，为是否进入该技术领域、技术研究方向、专利布局点等提供支持。通过分析，高压气态储氢技术领域垄断性整体处于较低水平，热点技术主要集中在高压气态储氢容器、复合材料、铝合金等方向，未来还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定等方向发展。技术研发整体呈上升趋势，新进入企业数量逐年增多，但高水平技术专利较少，加快技术申请进程，应尽快建立技术壁垒。中国在高压气态储氢领域的研发投入较大，未来国内市场竞争激烈。关键词：高压；氢气；储氢瓶；技术形势doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0139 中图分类号：TQ 03 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）08-2668-12Analysis of high-pressure gaseous hydrogen storage technologyZHOU Shuhui,WANG Xiulin,DUAN Pinjia,ZHANG Yu,SUI Yiyan,LU Lu(CNOOC GAS&Electricity Group Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)Abstract:The hydrogen sector has gained considerable attention in accelerating energy industry transformation owing to its zero pollution,high energy,rich resources,and versatile applications.However,the inherent instability and safety concerns of hydrogen,such as its susceptibility to burn and explode after leakage,pose challenges to its storage and transportation and overall cost-effectiveness.Efficient,economical,and safe hydrogen storage and transportation have become one of the main bottlenecks of the large-scale application of hydrogen technology.Among various storage and transportation technologies,high-pressure gaseous hydrogen storage technology is the most mature and widely used technology at present.By analyzing 2276 patents related to high-pressure gas hydrogen storage technology in 126 countries worldwide since 2003,we can know patent application 储能专利收稿日期：2023-03-15；修改稿日期：2023-05-05。基金项目：中国海洋石油集团有限公司科研项目（CNOOC-KX135KXXMQD2020-008）。第一作者及通讯联系人：周树辉（1983），女，硕士，高级工程师，主要从事天然气和氢能产业研究工作，E-mail：。引用本文：周树辉,王秀林,段品佳,等.高压气态储氢技术形势分析J.储能科学与技术,2023,12(8):2668-2679.Citation：ZHOU Shuhui,WANG Xiulin,DUAN Pinjia,et al.Analysis of high-pressure gaseous hydrogen storage technologyJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(8):2668-2679.第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析trends,technological focus areas,monopolization tendencies,patent holders,market distribution,etc.This study aims to shed light on innovation heat,application trends,regional distribution,and the status of enterprises in the field,providing support for potential market entry,research directions,distribution points,etc.The analysis reveals that overall technological monopolies in this field are low.The technologies of considerable interest mainly revolved around high-pressure hydrogen storage containers,composite materials,aluminum alloys,etc.In the future,developing high-pressure gaseous hydrogen storage should focus on achieving lightweight,high-pressure solutions with low costs and stable quality.Although the number of new enterprises is increasing annually,the quantity of high-level technology patents remains limited.Therefore,expediting the technology application process and establishing technical barriers at the earliest opportunity is crucial.China has made substantial research and development investments in high-pressure hydrogen storage is large,indicating that the future domestic market competition is fierce.Keywords:high pressure;hydrogen;hydrogen storage;technology2021年，“碳达峰”和“碳中和”在两会上作为中国的战略目标，首次被写入政府工作报告，彰显了中国坚持走低碳发展道路的决心。在加速能源行业转型的背景下，氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点，受到了国家的高度重视，并积极引导、支持其发展。中国氢能联盟预计 20202025 年间，中国氢能产业产值将达1万亿元，20262035年达到5万亿元。我国氢能已逐步建立起氢能制储运加用等重点环节较完整的产业链1。但氢气的稳定性极差，泄漏后易发生燃烧和爆炸，使得储运难度大、成本高、安全性低，从而对氢气的储运技术提出了更高的挑战。高压气态储氢为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术2，体积比容量小。各储氢技术特点见表1。通过对2003年以来美国、中国、日本、韩国等126个国家/地区进行数据检索，抓取高压气态储氢技术相关领域共2276条专利，从申请数量、技术方向、专利持有人、市场布局等角度对高压气态储氢技术的发展形势进行了判断和预测，从而了解该行业的技术聚焦点、市场布局等，为下一步的研发方向及重点投入提供技术支持。1 技术趋势分析1.1技术申请趋势20032016年，专利申请及授权数量保持平表1储氢技术优缺点对比情况Table 1Advantages and disadvantages of hydrogen storage technology技术类别物理储氢化学储氢吸附储氢高压气态储氢低温液态储氢有机液态储氢其余化学储氢金属合金储氢碳质材料储氢优势使用最广泛，且技术最成熟储氢密度高，在常温、常压下液氢的密度是气态氢的800倍以上存储密度较高，通过加氢、脱氢过程可实现有机液体的循环利用，成本相对较低液氨对环境无害，储存条件较为温和甲醇来源广泛，应用的经济性好；节能减排效果明显；常温常压即可存储，运输方便相同体积下，固态低压合金储氢装置有效储氢质量较高吸附能力较强，储氢质量密度较高，可达6%12%；质量较轻，易脱氢劣势储氢量少，重容比较低；受压力和储氢瓶材料影响较大；存在泄漏、爆炸等安全隐患对转化技术、存储材料要求较高，成本较昂贵；国内技术不成熟，仅用于航天领域，尚未实现民用加氢、脱氢装置成本较高；脱氢效率低且氢气纯度不高；需燃少量有机化合物，非“零排放”极少量未分解液氨混入氢气中便会造成较大污染技术尚未完全成熟技术尚未完全成熟技术处于早期阶段，机理认识不完全；制备过程较复杂；成本较高26692023 年第 12 卷储能科学与技术稳，如图1所示，数量均小于100件，2017年申请数量激增，2020年达到峰值。说明研究逐渐受到各个企业或技术开发者的重视，正在积极进行技术布局。经调查，2016年8月，国务院印发“十三五”国家科技创新规划，指出氢能是新一代引领产业变革的颠覆性能源技术。氢燃料电池汽车是氢能利用的重要产业之一，加氢站是为氢燃料电池汽车及其他氢能利用装置提供氢气的核心基础设施3。2016年制定的中国氢能产业基础设施路线图规划目标：到2020年，以能源形式利用的氢气产能规模将达到720亿m3；加氢站数量达到100座；燃料电池车辆达到100000辆；氢能轨道交通车辆达到50列；行业总产值达到3000亿元。到2030年，氢能产业将成为我国新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分，产业产值将突破10000亿元；加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆4。中央和地方政府(广东省、上海市、苏州市等)相继出台了加氢站补助政策，国家能源集团、中石化及中石油等企业也纷纷布局氢能产业链，对高压气态储氢技术的发展起到了刺激作用。国家政策的出台，推动了氢能产业链蓬勃发展。由此可见，该技术周期处于成长期。技术授权占比整体趋势较为平稳，仅在2014年技术授权占比激增，随后迅速回落且呈逐年下降趋势，说明2014年前后可能出现重大技术突破。近年来出现技术瓶颈，技术壁垒逐年升高，对技术创新性提出了非常高的要求。1.2技术聚焦点1.2.1技术分支进一步聚焦发现，四大热点技术方向为“压力容器”“容器或容器装填排放的零部件”“液化、固化或压缩气体”和“成型复合材料”。研究方向以最左侧一列技术为主，如图2所示，分别是“压力容器，如气瓶、气罐、可替换的筒”和“容器或容器装填排放的零部件”。这两大技术方向也是行业重点关注的技术领域；此外，在其他类似技术领域挖掘技术创新点进行突破，以达到降本增效的目的。将技术板块做成趋势图，如表2所示，近20年间，“压力容器，如气瓶、气罐、可替换的筒”和“容器或容器装填排放的零部件”两个技术方向的申请专利数量远远领先于其他技术，故高压气态储氢技术是目前主流的研发方向，前景广阔。1.2.2关键技术构成从最近5000条专利中提取语义关键词和主题词，做成旭日图，如图3所示，外层的关键词是内层关键词的进一步分解5。内层主流技术领域分别为“高压氢”“压力容器”“储气瓶”“复合材料”“支撑结构”“压力传感器”等；对技术进行分解，得到外层细分技术领域分别为“高压容器”“高压气瓶”“密封结构”“碳纤维”“储氢瓶”等，既是当前研究最热门的方向，也是行业重点关注的技术领域。了解高压气态储氢领域内比较详细的技术聚焦点及细分领域，为知识产权布局工作提供参考。注：专利授权率表明申请的有效率以及最终获得授权的提交申请成功率。蓝色代表申请总量，绿色表示当前时间段申请专利的被授权量。如2012年专利申请在2014年获得授权，授予的专利将在2012年专利申请中以绿色显示。图1专利数量情况Fig.1Number of patents2670第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析通过创新词云可以了解高压气态储氢领域内最热门的技术主题词，提取了领域中最近5000条专利中最常见的关键词，分析最新重点研发的主题，可知，当前关键技术创新热点与旭日图保持一致。1.3技术垄断分析1.3.1技术集中度分析通过分析主要申请人持有专利的数量，判断近20年技术的竞争激烈程度和垄断性。如图4所示，技术整体的垄断性不高，且趋势较为平稳。2014年技术垄断性大幅升高至72.58%，创历史新高，随后大幅回落。在2014年发布了能源发展战略行动(20142020年)中，正式将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向6。众多企业积极投身发展氢能和燃料电池等技术的研发应用，从而促使越来越多的企业或个人介入。1.3.2技术垄断区块分析领域地图中大格子代表一类技术的研究总数，较小的灰色格子代表一定数量的技术研发量。不同图2技术聚焦区块图Fig.2Technical focus block diagram表2技术申请趋势Table 2Technology application trend申请年20032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022F17C13428182281018282616186494963104827F17C13201941773208128953466597914F17C5203733463133241971222280F17C110201521212001602807790B29C704200024365014165111162F17D1001001101180022386230C25B1161000017000951400310G01M30100040000101022111592B01D53021510020200910641400F17D300103000005000227621026712023 年第 12 卷储能科学与技术颜色的格子代表不同公司，每个格子代表相同数量的专利。提取储氢领域内最新的5000条专利，将每家公司的专利覆盖在不同领域内，了解其技术概念，以便于区分不同公司的技术焦点7。如图5所示，每个大格子内均未被占满，说明各技术均存在很大的发展空间，不存在垄断现象。进一步聚焦技术研发方向，浙江大学在复合材料、储氢容器、高压气瓶等方向均有非常广泛的技术布局，江苏国富氢能技术装备股份有限公司在高压气态储氢领域的技术布局范围也较广，且应用效果良好。2 专利持有者分析对高压气态储氢领域内主要申请人专利总量的整体对比，如图6所示。排名前10的技术持有者及其所在公司超过半数为中国企业，说明中国的技术研发投入较大。其中，浙江大学的技术研发总量远超其他企业，其重点研究方向聚焦在高压气态储氢容器的材料分析及优化测试等，亚普汽车部件股份有限公司在高压密封结构及车用储氢瓶等方向布局广泛，江苏国富氢能技术装备股份有限公司于2020年前后异军突起，在各类瓶阀和其检测装置、塑料内胆碳纤维缠绕工艺等方向也具有较为突出的技术研发实力。近10年各技术开发方明显活跃起来。2015年前后石家庄安瑞科气体机械有限公司在高压气态储氢缠绕工艺方面有一定的技术突破，但近几年势头减弱。2.1专利持有者地域分布对专利持有者的地域分布情况进行分析，如图7所示，主要技术几乎全部集中在中国。从横向上注：集中度指申请总量排名前10位的申请人的专利申请量占该领域专利申请总量的比例。(2022年不做参考)图4技术集中度分析Fig.4Technology concentration analysis图3技术拆分旭日图和关键技术创新词云图Fig.3Technology to split the rising sun map and key technology innovation word cloud map2672第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析看，约瑟夫 傅里叶大学的技术布局范围最广，在日本的技术布局最多；德国林德股份公司重点在本国进行了技术布局。从纵向上看，中国企业的技术布局主要集中在本土，几乎没有海外布局，未来国内竞争将更加激烈。2018年至今的新入者全部为中国企业，如图8所示，说明中国本土的技术市场潜力较大。除江苏国富氢能技术装备股份有限公司以外，张家港氢云图6技术持有者排名及研发趋势Fig.6Technology owner ranking and R&D trends图5技术垄断区块图Fig.5Block diagram of technology monopoly26732023 年第 12 卷储能科学与技术新能源研究院有限公司在行业也有一定的科技成果，参与多项国家级、省部级的氢能行业规划的编制，成为后起之秀。2.2重点研发的技术方向对行业内专利持有者的技术研究方向进行分析，如图9和表3所示。从专利聚焦的角度来看，江苏图9重点技术研发方向Fig.9Key technology research and development direction图8近5年新进入者Fig.8New entrants in the last five years图7技术持有者地域分布情况Fig.7Geographical Distribution of technology holders2674第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析国富氢能技术装备股份有限公司的技术布局领域最广，涉及F17C1、F17C13、F17C5、B21D22、F17C7等7个研究领域；亚普汽车部件股份有限公司在F17C1、F17C13两个领域的技术聚焦较为突出。从技术分类数据纵向来看，排名前10的企业主要核心技术布局集中于高压气瓶及其零部件等，说明高压气态储氢这一技术领域是目前的热门研究方向；部分企业如林德股份公司等，也有一定的经济和技术实力布局液态储氢领域。2.3主要专利持有者的合作关系图10为几家主要专利持有者的合作关系图，整体上看国内企业的合作关系不强，几乎都是独自发展、孤军奋战。林德股份有限公司、本田技研工业株式会社、液态空气等国外公司的合作关系密切。建议国内企业在实际生产中增强企业或高校间的合作，加强整体技术研发实力。图10主要专利持有者的合作关系图Fig.10The partnership of the major patent holders表3IPC分类号及其定义Table 3IPC classification number and its definition分类号F17C1F17C13F17C5F17C11B21D22F17C7G01N3H01M8B21D51B22F3定义压力容器，例如气瓶、气罐、可替换的筒(除供贮存目的外，其他压力装置见有关小类，例如A62C，B05B；与车辆有关的见B60至B64类的适当小类；一般压力容器入F16J12/00)2006.01容器或容器装填排放的零部件2006.01液化、固化或压缩气体装入压力容器的方法和设备(将发射剂加到烟雾剂容器入B65B31/00)在容器中使用气体溶剂或气体吸收剂2006.01用冲压、旋压或拉深的无切削成型(不用刚性设备或工具或挠性或弹性衬垫的入B21D26/00)2006.01从压力容器内排放液化、固化或压缩气体的其他小类内不包含的方法或设备2006.01用机械应力测试固体材料的强度特性燃料电池；及其制造2制造空心产品(用厚壁管或不均匀管的入B21K21/00)2006.01由金属粉末制造工件或制品，其特点为用压实或烧结的方法；所用的专用设备2021.0126752023 年第 12 卷储能科学与技术3 市场布局分析3.1市场地域分布为了解技术在不同国家和地区的发展程度、专利申请分布的区域和申请量的水平，将技术相关专利做成地域分布图，如图11和表4所示，第一大技术来源国和目标市场均为中国，研发量遥遥领先于全球，其次是美国，日本第三。说明中国的技术市场空间足够大，但不排除国外企业将重点技术以秘密的形式进行了权利保护。在技术应用国中，中国的技术数量占比略微升高，而美国和日本却有明显下降，如图12和表5所示，说明中国的技术更多应用于本土企业；而美国、日本等国外企业进行了大量的海外布局乃至跨国合作，技术分布范围广。近20年数据显示，中国的技术活跃度和市场图11技术来源国及趋势Fig.11Country of origin and trend of technology表4各国家年度专利申请情况Table 4Annual patent applications by country申请年20032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022中国62661013723212145323624999514220617912美国91391115101622920103113614420日本1815615353219547531425320德国3163426121272121347620韩国11111020211330615960法国314231300120121401220欧洲专利局02111376211001113531丹麦00047000000000000030中国台湾00210102110010002100俄罗斯000121102200001000002676第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析趋势，一直处于遥遥领先的态势，远高于美国、日本、韩国等国家。技术研发和技术应用趋势基本一致，中国相关技术没有进行广泛的海外布局，且整体技术研发量以国内为主导。技术应用在近10年才逐渐活跃起来，2017年以来中国在技术研发上的态势尤为迅猛，如表5所示。3.2专利流向图分析中、美、欧、日、韩五大局的专利流向，如图13所示，了解该项技术被哪些国家的申请人所持有、布局到了哪些目标市场。整体上看，各国以本国市场为主，海外布局偏少；中国在国内的技术布局远高于国外，说明国内市场空间足够大，也可能受到其他国家技术壁垒的限制；美国和日本较为注重技术输出，在国外的布局全面，市场占领度较高。中国的技术申请量最大且侧重于国内，其他国籍申请人对中国的输入比例较小。日本的技术申请表5各国家年度专利应用情况Table 5Annual patent application in each country申请年20032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022中国737912169212523413538251019413919417912世界知识产权组织4154966115651206187110美国39378559654243412410日本487645411061132511020德国32343475742031434410韩国56231021501430617940欧洲专利局52355127234131204410印度10151346622112314621俄罗斯10013112230000200000中国台湾10210112010020001400图12技术应用国及趋势Fig.12Country and trend of technology application26772023 年第 12 卷储能科学与技术量居全球第二，主要集中在国内，但国外的专利申请量也较为可观。美国和韩国主要在本国进行布局，有部分技术输出于中国和日本。3.3中国各省的市场布局国内的技术分布主要集中在北京、江苏、浙江、上海及广东等地，如图14和表6所示。北京市的高校、科研院所和企业较多，技术创新布局和研发实力超前，在储氢材料及其制备工艺、测试系统等诸多领域均有深入研究，是中国当前申请专利数量最多的省份，也是企业主要竞争对手所在的地区。表6各省市年度专利申请情况Table 6Annual patent applications by provinces200320042005200620072008200920102011201220131022304222150020031253310030300361401213312213010010002242000010145400001203000000000000020002220110100001000101申请年北京江苏浙江上海广东辽宁四川安徽河北山东图13技术流向图Fig.13Technology flow chart图14国内的技术分布情况Fig.14Technology distribution in China2678第 8 期周树辉等：高压气态储氢技术形势分析2014201520162017201820192020202120228114213120403120542520413437510669129251321124710187171002126517804201241510022074131352012864141100141505430010746990续表申请年北京江苏浙江上海广东辽宁四川安徽河北山东4 结论近年来，我国氢能产业发展加快，规模不断增大8。国家出台一系列政策和标准鼓励支持氢能发展。目前北京市、上海市、佛山市、河北省、浙江省、山东省等数十个省(市)和地区发布了氢能产业发展规划/实施方案/行动计划；氢能产业发展中长期规划(20212035 年)明确了氢的能源属性，是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点，为氢能产业发展指明了方向。（1）储氢产业技术目前处于成长期，产品渗透率较低，技术研发有待快速、高质量突破。从储氢技术成熟度、安全性和经济性等方面来看，高压气态储氢仍是当下储氢方式的最优选择，短中期高压气态储氢仍是主流。该行业技术垄断性整体处于较低水平，热点技术主要集中在以高压气态储氢容器、复合材料、铝合金等方向的研究。未来还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。纤维缠绕工艺所需的高分子复合材料具有减小储气瓶壁厚、提高容量和氢存储效率等诸多优势，故其性能及成本是高压气态储氢瓶制备的关键。（2）高压气态储氢相关专利申请总量排名前10的均为中国企业，我国的技术研发投入较大，未来国内市场竞争激烈。近年来，技术研发数量整体呈上升趋势，新进入企业数量逐年增多，但高水平技术专利较少，对新进入企业来说是机遇；建议企业尽早入局，加快技术申请进程，建立技术壁垒。（3）各国对高压气态储氢技术的布局均以本国为主，海外偏少；中国本土技术布局数量和研发投入远高于国外，技术市场空间足够大，企业的创新能力和活跃度主要集中在北京市；美国、日本注重技术输出，国外布局全面。参 考 文 献1 经晓萃,郭宇.120千瓦级有机液体供氢装置研制成功N.中国工业报,2022-03-03(4).2 徐连兵.我国氢能源利用前景与发展战略研究J.洁净煤技术,2022,28(9):1-10.XU L B.Research on the utilization prospect and development strategy of hydrogen energy in ChinaJ.Clean Coal Technology,2022,28(9):1-10.3 陈鹏,骆辉,柴森,等.站用储氢瓶式容器组缺陷及检测方法J.中国特种设备安全,2022,38(4):11-16,38.CHEN P,LUO H,CHAI S,et al.Defects and inspection methods of hydrogen storage cylinder type pressure vessels for refueling stationJ.China Special Equipment Safety,2022,38(4):11-16,38.4 杨凡.中国氢能发展路径的成本收益分析D.北京:中国石油大学(北京),2020.YANG F.Cost-benefit analysis of hydrogen energy development path in ChinaD.Beijing:China University of Petroleum(Beijing),2020.5 高雪.基于知识图谱的机器视觉研究前沿与技术机会分析D.青岛:山东科技大学,2019.GAO X.Research frontier and technology opportunity analysis of machine vision based on knowledge mapD.Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2019.6 王田田.我国氢能开发与利用法律制度研究D.济南:山东师范大学,2019.WANG T T.Research on the legal system of hydrogen energy development and utilization in ChinaD.Jinan:Shandong Normal University,2019.7 卢瑾.基于专利分析的智慧农业技术发展研究J.南方农业,2021,15(21):215-217.LU J.Research on the development of smart agriculture technology based on patent analysisJ.South China Agriculture,2021,15(21):215-217.8 凌文,李全生,张凯.我国氢能产业发展战略研究J.中国工程科学,2022,24(3):80-88.LING W,LI Q S,ZHANG K.Development strategy of hydrogen energy industry in ChinaJ.Strategic Study of CAE,2022,24(3):80-88.2679