氢云研究：从专利角度看中国固体氧化物燃料电池(SOFC)的商业化之路

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SOFC（工作温度 600~1000℃）是以复合氧化物为电解质，不需要其他贵金属催化剂，可以直接使用现有的各种含碳燃料，例 如 煤 气、合 成 气、天 然 气、液 化 石 油 气等。与其他燃料电池比较，SOFC发电 效 率 最 高 (综合发电效率约 80%)并可以和现有能源供应系统兼容，被认为是本世纪最有应用前景的绿色高效发电系统之一。

欧 洲 和 北 美 已 有 多 个 供 给 碳 氢 燃 料 的 SOFC 示 范 项 目 。日本尼桑公司在 2016 年试运行了一款以乙醇 为燃料 的 SOFC 汽 车 。此外 SOFC 工作温度较高，相较于 PEMFC 可允许电极温升大，其 水、热管理也相对简单。

1980 年代后期SOFC研究 得到蓬勃发展 ，以美国西屋电气公司为首的欧洲、日韩等企业开始了 SOFC 的商业化探索 。我国从 2007 年开始开展 SOFC 相关关键材料和基础科学研究，基本实现了诸多核心关键技术突破，目前拥有自 主知识产权，基本实 现了 SOFC关键 材 料、电 池 核 心 元 件、电堆模块集成和独立发电系统四部分技术全线 贯通，但由于起步晚，仍处于初步探索阶段。

在“双碳”目标背景下，SOFC 技术将有 利助推我国能源结构绿色低碳转型和煤炭清洁利用 。

在此背景下，本文采用《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》和《航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述》两篇文献内容，根据1991 年 1 月 1 日—2020 年 12 月 31 日已经公开的相关专利数据，重点从专利角度解读中国固体氧化物燃料电池(SOFC)发展阶段。结论为：中国目前对固体氧化物燃料电池的 研究开发业已取得了很大的进展，但离商业化还有 一定距离 。SOFC 的发展离不开政府的引导和大力 支持，大学、政府和企业的 “政产学研用”合作机制 也是 SOFC 发展的重要推动力。

图1专利申请趋势图

来源：《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》

如图 1所示，可以看出: 2000 年以前，全球专利申请数量平均每年约 13 项，表明 SOFC产业发展缓慢 ; 2001—2019 年，申请量2019 年达到峰值 (726 项)，约是 2001 年 8.7 倍。截至 2020 年底，SOFC 相关专利申请 8187 项，中 国 5 100 项排名第一。

从图 2 可 见，中 国 从 1997 年 开 始 申 请 SOFC 专利，中国整体增长趋势和世界范围增趋势基本一致，申请数量 占 比 逐 渐 增 大，特别是 2012 年，我国布局了第一个 SOFC 方 向 的 973 项目，国对 SOFC 的关注度逐渐升高，专利申请数量逐年上升。

图 2 中国专利申请趋势图

来源：《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》

如图 3所示，从1991起，直到2001年，第1项SOFC 专利才获得授权 。到 2004 年，共 授权 78 项，平均年授权量仅 5.5 项，授权率很低。2005—2014 年，专利授权呈现快速上升，2014 年达峰值。2020 年授权数大幅下 降的原因可能为 2016—2017 年专利申请数量降低有关 。

图 3 授权专利趋势图

来源：《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》

有质量的专利是指具 有新颖性、创造性、实用性以及法律效力稳定的专利，其中 创造性对专利的 技术质量起直接决定作用 。分析 SOFC 相关专利的法律状态构成可见，相关授权专利共 5602 项(含授权后放弃、失效的专利)，占总申请量 的 68.4%．失效专利 3317 项，占总申请量的37.6% ;有效专利 3 686 项，占总申请量的 45.0%，占总授权 量的 65.8%．未缴年费专利 1843 项，占总授权量的 33.0%，占失效专利的 55.6%。

从数据上看，SOFC 专利授权率较高，反映出 目前 SOFC 专利质量相对较高，创新性较强 。专利 的实用性意味着其经济价值或市场前景，而主动放 弃和未缴年费的情况也多是由专利实用性低造成 的，反映出相关专利未能实现技术转移 。SOFC 专 利未缴年费比例相对较高，说明部分专利的实用性 不够。

由表 1 可见，SOFC 相关专利以公司和高校院所为主，公 司 申 请 最 多占 申 请 总 数 的 58.2%。其次为高校院所占比 41．1%，但有效专利占比均不到一半 。 公司和高校院所作为主要的申请单位，在撤回驳回的无效专利中，占比分别 为 32．2%和 23．6%;在未缴年费的无效专利中，占比分别为 38．0% 和 44．8%．表明虽专利申请量高但有 效率低，高校院所专利质量相对较高，撤回驳回率低 ; 未缴年费占比均较高，说明专利实用性欠缺，转 化效果较差。

表 1 SOFC 相关专利申请人类型情况统计

来源：《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》

排名前 8 位中第 1 位的是中国科学 院大连化学物理研究所，其申请相关专利的主要技 术方向涉及催化剂电极、固体电解质、催化材料等， 申请量为 221 项，其 中 发 明 专 利 219 项 ; 授 权 专 利 134 项，占该单位总申请量的 60．6%，说明该单位在SOFC 研发方面的技术实力和自主创新能力较强。 排名第 2 位～第 5 位的分别为哈尔滨工业大学、三 星 SDI 株式会社、清华大学和华中科技大学，申请总 数为 621 项 。在这四个申请人中，三星株式会社的 技术方向范围最广，除电极制造方法低于哈尔滨工 业大学外，其余各方向专利数量均最多。

图 4 SOFC 相关专利申请前8排名

来源：《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》

目前，世界范围内，SOFC 已进入商业示范应用 阶段 。 由风险投资基金支持的美国 Bloom Energy 公 司已在加州为 Google、eBay、Wal Mart 等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统 。截至 2020 年，该 公司已累计投放 350 MW 的 SOFC 产品，其中近半 数投放于加利福尼亚州 。 公司主要产品为 Bloom Energy Server，现已更新至第五代，完成了对 200 kW 的 SOFC 系统测试，据称发电效率可以达到 65%，处 于世界领先水平 。但在 MW 级 SOFC 的开发集成上还远远未能达到低于 900 美元/ kW 的目标 。

日本的 SOFC 发展主要由 NEDO ( 日本新能源产业技术综合开发机构 New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan ) 推 动,目 标 为 到 2024 年，SOFC 发电效率 超 过 65% (低 热)，寿 命 达 130000 h 等 。 主要项目为 SOFC 系统重点技术的开发和工业验证，主要研发机构包括爱信精机、大阪 燃气、京瓷和丰田汽车等企业 。2017 年，工业用的 SOFC 燃料电池已开始进入 商 用 化 阶 段 。 欧 洲的SOFC 技术同样已基本成熟，主要 SOFC Micro－CHP(热电联产 Combined Heat and Power) 的代表公司包 括瑞士的 Sulzer Hexis，英国 Ceres Power，意大利的 Solidpower，丹麦 Topsoe Fuel Cell，德国 Bosch Ther- motechmology、Solid 等 。 其中 Ceres Power 技术较为 先进。

国外 的 SOFC 技术和产业一直对中国实施封锁，中国只能走自主开发的路线 。 其研发难度高且投入巨大，令国内不少企业望而却步 。 我国研究燃 料电池的机构主要有中科院大连化学物理研究所、 清华大学、中科院宁波材料所、中国科学院上海硅酸 盐研究所、华中科技大学等高校、科研院所，近年也 有包括苏州华清、潮州三环、潍柴动力等企业涉足。 主要的研发团队包括 : 中科院大连化物所程谟杰团队，华中科大邹春、李曦、蒋建华团队，哈工大秦江、熊 岳平、姬志行团队，福州大学陈孔发、彭开萍团队，清 华大学韩敏芳团队和中科院宁波材料所官万兵团队。

科研院所、高校基本是国内第一批 “973”计划 项目的参与单位，研发实力很强，但后续工业化需大量资金，部分科研院所和高校纷纷成立企业进行研发运营，催生出苏州华清京昆新能源科技有限公司、吉世尔(合肥) 能源科技有限公司和宁波索福人能 源技术有限公司等，在 SOFC 关键材料、元器件等方 面进行产业化尝试 。近年来，更有潍柴动力、中广 核、晋煤集团等大型企业加入 SOFC 研发阵列，加速 商业化步伐。

潮州三环是国内最早研发生产 SOFC 的企业，2004 年开始研发生产 SOFC 电解质隔膜，2012 年批 量生产 SOFC 单电池，2017 年在国内市场推出 SOFC 电堆 。目前主要生产电解质隔膜和单电池，是全球最大的 SOFC 电解质隔膜供应商，欧洲市场最大的 SOFC 单电池供应商。

徐州华清京昆能源有限公司在国内率先实现了 SOFC 关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独 立发电系统技术知识产权全产业链技术贯通，完成国内 首个15 kWSOFC 示 范 项 目，建成国内首条SOFC 自动化生产线，是我国第一家SOFC走向产业 化生产的企业 目前，年产 电 池 片 100 万 片、电 堆 4 万套、重整设备 1 500 套，总年产能 25 MW。

潍柴动力于 2018 年收购英国低成本固体氧物燃料电池开发商 CeresPower20% 的股权，并在潍坊成立合 资 公 司，使 用 SteelCellTM 技 术，针 对 于 客 车、卡车和特定的发电市场，生产销售燃料电池系 统、电堆和电池片 。 目前已获山东省国资委批复，募 资 15.13 亿元用于 SOFC 及关键零部件产业化项目。

中广核集团中广核研究院有限公司于 2018 年9 月，同哈工大(深圳) 签订“固体氧化物燃料电池联 合研发战略合作协议”。目前已承担一些国家、深圳市的科研项目，下一步，将聚焦于 SOFC 系统集成 和辅助系统的研发，包括重整器，燃烧器，热交换器， 染料压缩机，控制器等。

整体而言，国内 SOFC 企业大多在研发、做示范 工程，真正具备量产能力的只有潮州三环，华清在试产中，临近规模化量产。

最后，综合来看，中国目前对固体氧化物燃料电池的研究开发业已取得了很大的进展，但离商业化还有一定距离 。SOFC 的发展离不开政府的引导和大力 支持，大学、政府和企业的 “政产学研用”合作机制 也是 SOFC 发展的重要推动力。

在“双碳”目标背景下，SOFC 排放的二氧化碳 浓度高达 90% 左右，利于捕集和利用，符合政策要 求，同时，我国能源结构向绿色低碳转型，SOFC 还 可作为新能源发电调峰的主力军 。

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编辑：氢氢我心 校对：风氢扬 审核：氢云小仙女

来源：氢云链

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