摘要：氢能作为我国战略性新兴产业和未来产业，已成为新质生产力的重要一环。本文以近20年来公开的氢能产业发明专利数据为基础，从专利公开态势、产业链分布、区域分布、创新主体、关键技术等维度全面分析了氢能产业专利创新态势。结果表明：全球氢能产业处于快速发展阶段，中国发展势头迅猛；全球氢能产业发明专利主要集中在产业链中游，中国则主要集中在产业链上游，产业链中游及下游相对薄弱；中国、日本和美国是氢能产业专利布局的主战场，中国已成为全球氢能产业发明专利布局最多的国家；北京、广东、上海和江苏的氢能产业相关发明专利公开量位列我国第一梯队；日本、韩国等的汽车及电气巨头是全球氢能产业技术创新领头羊，中国以中国科学院大连化物所、中国石化、清华大学等科研院所、企业及高校为主要创新代表。水电解制氢、高压气态储氢、双极板、氢燃料电池车等为氢能产业专利布局热点技术领域。最后，基于专利分析结果，为加快我国氢能产业创新发展、培育氢能新质生产力提出了建议。
关键词：氢能产业；专利；技术创新；关键技术；专利布局
随着碳中和目标的提出，氢能作为绿色新兴产业和高效清洁能源的重要发展方向，成为世界各国谋求能源安全和经济可持续发展的一致选择。全球主要经济体纷纷从顶层设计出发，竞速布局氢能产业，中、美、日等国已将氢能提升到国家能源战略高度。美国的《全面能源战略》《美国国家清洁氢能战略和路线图》、日本的《氢基本战略》《氢能/燃料电池战略发展路线图》以及欧盟的《欧盟氢能战略》等均提出要加快发展氢能经济。
近年来，我国政府相关部门发布了系列政策，引导并鼓励氢能产业发展。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确提出要系统构建氢能产业创新体系，推动氢能产业高质量发展。随着该规划的落地，氢能已成为产业转型升级新的增长点，为经济高质量发展注入新动能。同时，氢能作为我国战略性新兴产业和未来产业，已成为新质生产力的重要一环。2023年12月，我国发布《产业结构调整指导目录（2024年本）》，将“氢能技术与应用、可再生能源制氢”作为鼓励类产业方向。2024年初的全国各地两会上，31个省级行政区中有22个将氢能写入政府工作报告；2月29日，工信部等七部门于发布《关于加快推动制造业绿色化发展指导意见》，提出聚焦“双碳”目标下能源革命和产业变革需求，谋划布局氢能等未来能源和未来制造产业发展。目前，我国氢能产业正处于发展提速的关键期，氢能已成为产业经济和资本市场关注的焦点。
专利通常被视作技术创新成果的重要表征之一，已有学者利用专利数据分析氢能产业创新现状。王翔、郑洪洋利用中国专利数据分析了我国氢能产业专利现状，龚娟从专利数量和专利质量两个维度对全国31个省区氢能企业的技术实力进行对比分析，高璇利用PCT专利数据对江苏在氢能产业的创新表现进行了分析。总体上，现有研究多以产业整体专利数据为分析对象，较少从产业链出发分析产业专利状况，分析结果缺乏与产业部门对话的窗口。本文选择基于产业链逻辑关系开展氢能产业专利检索与分析，旨在为相关部门提供更有价值的参考。
在专利类型选择方面，发明专利是表征技术创新水平的核心指标。根据《专利法》和现有研究，发明专利具有更高的含金量和原创性，可视为高质量创新产出。因此，本文以发明专利视角为切入点，从全球和中国两个层面分析氢能产业专利创新态势，从专利公开态势、产业链分布、地区分布、创新主体、关键技术、国内重点城市比较等维度进行全面分析，深入探讨全球及中国氢能产业创新态势，为我国加快培育绿色氢能新质生产力，推动绿色低碳领域未来产业高质量发展提供决策参考。
1 氢能产业专利总体态势分析通过广泛查阅氢能产业相关政策文件和文献资料，并咨询业界专家意见，全面收集氢能产业链各环节技术领域的中英文关键词和IPC分类号，进行组配检索及逻辑运算，构建氢能产业专利检索式。
本文以最近20年（2004—2023年，下称“检索期内”）公开的氢能产业发明专利数据为样本进行统计分析。专利数据来源于ISPatent全球专利数据库，检索日期为2024年3月8日。通过对检出数据进行去噪处理，得到本文分析的氢能产业专利数据。
1.1 专利公开总体态势及产业链分布 1.1.1 专利公开总体态势检索期内，全球公开的氢能产业发明专利108765件，其中有效发明专利33433件，占比30.7%。全球氢能产业发明专利公开量从2004年的3823件增长至2023年的11922件，近20年增长3.1倍（图1）。具体可分为三个阶段：2004—2007年期间保持小幅增长；2008—2014年期间略有下降；2015年至今，随着氢能产业核心技术突破以及氢燃料电池汽车的商业化推广，氢能产业快速发展，发明专利公开量快速增长，特别是近5年（2019—2023年）年均增长率为19.5%。这一趋势反映了全球对氢能产业的持续关注和投入，也表明了氢能产业技术创新日益活跃。同期，中国公开的氢能产业发明专利为38800件，其中有效发明专利13209件，占比34.0%，高于全球平均水平。近20年来中国氢能产业发明专利公开量持续增长，尤其近5年来呈爆发增长态势，年均增幅达28.3%，较全球平均水平高出8.8个百分点，凸显了中国在氢能技术领域的强劲发展势头。
1.2.2 中国专利省区分布
中国氢能产业发明专利的省市分布按公开量可分为三个梯队。首先，北京、广东、上海和江苏的公开量均在3000件以上，其中北京以5189件遥遥领先，这与其拥有“中国氢能第一股”亿华通、正在打造中国第一氢能公司的中国石化等国内行业龙头企业及清华大学等科研实力雄厚的高校密切相关。广东排名第二，华南理工大学、国鸿氢能等是广东在氢能产业的主要创新力量。上海、江苏紧随其后。浙江、湖北、山东、四川、福建等12省氢能产业发明专利公开量均在500~3000件范围内，处于第二梯队。湖南、辽宁等省在氢能产业发明专利公开量均在500件以下，属于第三梯队。氢能产业中国发明专利公开量排名前十省区见图3。全国各省氢能产业有效发明专利量排名与发明专利公开量排名保持一致。总体而言，不同省区在氢能产业的创新实力和专利布局存在差异，各省区专利申请情况与其自身产业基础及技术创新实力等相当。
1.2.3 国外来华申请及中国走出去布局专利情况
中国氢能产业发明专利中，有18.0%的专利为由国外企业来华申请（图4）。日本的丰田、本田、松下等汽车和电子行业巨头，美国的通用、壳牌、3M创新，以及韩国的现代、三星、起亚等知名公司，都积极在中国布局相关专利。同时，德国的罗伯特·博世公司、BASF等以及法国的液化空气集团等企业也在中国布局了为数不少的专利。中国已成为日本、美国、韩国、德国等国家在氢能领域的重要目标市场之一。
检索期内，由中国申请人提出的氢能产业发明专利33984件，其中向国外申请仅1627件，占比4.8%，覆盖了43个国家/地区，主要分布在产业链上游（46.7%）和中游（41.1%），下游相对较少（15.1%）。PCT国际申请途径是中国企业海外专利布局的常用手段，美国、欧洲、日本等是中国氢能产业创新主体在国外专利布局的主要国家/地区（图5）。进一步从申请人来源国对中国、日本、美国、韩国、德国这五个国家在其国内外布局氢能产业发明专利情况进行对比分析发现，中国是国外专利布局最少的国家。日本的国外布局专利达13719件，为中国的8.4倍，日本和韩国的国外布局专利占比分别为49.3%、43.1%，美国和德国更是高达60%，均远超中国4.8%的占比（表2）。
综上分析，从国外来华申请专利情况来看，中国氢能产业吸引了来自日本、美国、韩国和德国等国企业积极来华申请专利，凸显了中国在氢能产业的吸引力和市场潜力。然而，从以上主要国家在本国以外布局专利情况对比来看，中国在国外布局专利数量远低于其他国家，表明中国氢能产业在国际化布局方面与先进国家还存在明显差距，面临巨大挑战。
1.3 创新主体分析 1.3.1 创新主体构成全球公开的氢能产业发明专利中，来自企业的专利占比75.3%，中国的这一占比为70.4%，表明在全球范围内已形成以企业为主体的创新格局。同时，高校和科研院所也在推动氢能产业创新发展中发挥着重要作用。特别是在中国，来自高校、科研院所的发明专利公开量占比分别为21.9%、7.0%，凸显了它们在氢能产业创新生态中的重要地位。可见，氢能产业的创新发展离不开企业、高校和科研院所等各类创新主体的共同努力。多元化创新主体的紧密合作和协同发力，为我国推动氢能产业高质量发展、加快培育氢能新质生产力注入强大动力。
1.3.2 主要创新主体全球氢能产业发明专利公开量排名前十的申请人中，日本占4席，韩国占3席，德国和美国分别占2席、1席（图6）。均为企业，包括丰田、现代、本田、通用、博世等8家汽车企业，以及松下和三星两家电气制造企业，这些企业拥有雄厚的技术实力和丰富的研发经验，是全球氢能产业技术创新的领头羊。与全球情况相比，中国排名前十的申请人呈现出更加多样化的特点。除企业外，还包括科研院所和高校等不同类型的创新主体。具体而言，涵盖了5家企业、4所高校和1家科研院所，体现了中国氢能产业创新生态的多样性和活力。值得一提的是，中国科学院大连化物所以及清华大学、上海交通大学等在排名前十的机构中优势突出，凸显了中国科研院所及高校在推动氢能产业技术的前沿探索和基础研究方面的重要作用。同时，中国石化、亿华通等企业在氢能产业的发明专利公开量处于国内领先水平，反映了企业在氢能产业领域的实践与应用方面的创新成果。然而，目前尚未见有中国创新主体上榜全球前十位，表明中国在氢能产业技术创新和专利布局方面与国外仍有较大差距，亟需进一步加强技术创新，提升在全球氢能产业中的影响力和竞争力。
表3列举了国内外氢能产业发明专利公开量排名前五的创新代表。对比可见，国外创新代表的发明专利公开量和授权量均遥遥领先于国内创新代表，主要集中在氢燃料电池、氢能汽车等产业链中下游环节。相比之下，国内创新代表的专利更多涉及制氢、氢燃料电池等产业链上中游环节，较少涉及下游。这反映了国内外在氢能产业创新方向上的差异，与国内外创新主体在氢能产业链的定位、技术积累和市场需求有关。
1）水电解制氢、氢气提纯为全球制氢热点技术，太阳能制氢和化工原料制氢为近年来创新热点。检索期内，制氢环节全球发明专利公开量较多的技术分支是水电解制氢及氢气提纯，分别占全球制氢技术发明专利公开总量的38.0%和16.9%。中国专利中该两项技术分支发明专利公开量占比分别为37.1%和12.6%。然而，近五年来，制氢技术专利热点有所变化，除水电解制氢依然是创新热点外，太阳能制氢和化工原料制氢成为创新热点，超过60%的发明专利为近五年公开（表4），反映了近年来氢能产业在可再生能源利用、化工原料转化等领域的创新日趋活跃。
2）高压气态储氢为全球主流储氢技术，近年来有机液体储氢技术创新活跃。全球范围内，高压气态储氢是储氢主流技术，其发明专利公开量最大，占储氢技术发明专利公开量的25.6%。其次为固态储氢技术，虽然该领域发明专利公开量不及高压气态储氢，但仍是备受关注的储氢技术。值得注意的是，有机液体储氢技术作为一种成本较低、运输便利性较高的新型储氢技术，近年来技术创新日趋活跃，其66.2%的全球发明专利为近5年公开，中国在该领域的发明专利量中近5年公开量占比更达80.5%（表5）。
3）膜电极、双极板、质子交换膜为氢燃料电池专利布局关键领域，中国氢燃料电池关键技术创新正在加速赶超。氢燃料电池主要包括膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、密封件、气体扩散层和端板等关键材料及核心零部件。其中，膜电极的全球发明专利公开最多，紧随其后的是双极板和质子交换膜。中国的情况略有不同，双极板领域发明专利公开最多，其次为膜电极、质子交换膜，在催化剂、密封件、气体扩散层等技术领域的专利公开相对较少（表6）。数据显示，在氢燃料电池关键材料及核心零部件各领域，中国近5年发明专利公开占比均为全球的2倍左右，表明中国在氢燃料电池关键技术领域正在加速赶超。
4）氢燃料电池车为氢能应用布局的重点领域。氢燃料电池车是氢能最主要的应用领域，在全球公开的氢能应用领域发明专利中占比58.7%，其次是氢燃料电池飞行器（14.4%）和发电领域（10.9%）。与全球表现一致，中国也以氢燃料电池汽车领域的应用为主（70.0%），且其中73.3%为近五年公开（表7）。尽管中国在氢能产业链下游的专利布局仍显薄弱，但从相关领域专利公开增长态势来看，发展向好。
2.2 产业链分布：在下游应用的专利布局均亟待加强
从氢能产业链各环节专利布局来看（表9），北京、成都、广州的产业链上游相关发明专利公开量均超过其全产业链的70%。相比之下，上海在产业链中游环节的专利布局相对更多，接近总量的一半，显示了上海在关键材料、零部件及氢燃料电池系统等技术领域相对更高的投入和关注度。四市在氢能产业链下游的专利布局都较少，占比仅在6%~8%之间，我国氢能产业链下游的技术创新任重道远。
四市中，仅上海有超过1%的专利涉及5个以上国家/地区；北京和上海均有超过30件专利涉及6~10个国家/地区；涉及10个以上国家/地区的氢能产业专利稀少（表10）。数据表明，四市氢能产业相关创新主体外拓辐射程度均较低，海外专利布局亟待加强。
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结论与启示
3.1 结论
1）从专利公开态势看：近二十年来全球氢能产业日益发展，目前处于快速发展阶段。近年来中国发展势头迅猛，近5年中国发明专利公开量年均增幅28.3%，超出全球平均水平。
2）从产业链及关键技术看：全球氢能产业发明专利主要集中在产业链中游，中国则主要集中在上游。上游的水电解制氢、氢气提纯、高压气态储氢技术，中游的双极板、电堆、质子交换膜技术和下游的氢燃料电池车为氢能产业专利布局的热点领域。
3）从区域分布看：中国、日本和美国是氢能产业专利布局的主战场，中国已成为全球氢能产业发明专利被布局最多的国家，但中国走出去布局专利数量较少。北京、广东、上海和江苏处于国内第一梯队，专利优势突出。从京津冀、长三角、珠三角和成渝双城经济圈四大区域氢能产业代表城市北京、上海、成都、广州来看，北京在氢能产业的专利综合实力最强，四市氢能产业链专利构成略有差异，总体上，在下游专利布局都较薄弱，且海外专利布局均有待加强。
4）从创新主体看：日本、韩国和德国的汽车及电气行业巨头是全球氢能产业技术创新的领头羊。中国以中国科学院大连化物所、中国石化、清华大学等科研院所、企业及高校为主要创新代表。
3.2 启示 一是强链补链延链构建氢能产业发展新格局：一方面要推动制氢、储氢等具有专利优势的产业链环节技术向高质量方向升级；另一方面要加快在氢能应用等专利相对薄弱环节的创新步伐，特别是目前中国在氢能产业链下游专利布局较薄弱，而下游直接关乎氢能技术的实际应用和产业化进程，因此尤其要加强下游技术创新及专利布局。此外，要注意避免各地都关注氢能在交通领域的应用，即“重复造轮子”，更要加快探索氢能在无人机等应用领域的关键技术创新，提升产业整体竞争力。 二是推动新兴技术融合创新：支持引导企业积极引入大数据、人工智能等新兴技术在氢能产业的应用，并提前布局专利以保持行业领先地位。 三是加强海外专利布局：当前主要国家都在积极推动氢能技术发展，国际竞争激烈。我国在加强氢能产业技术创新的同时，应积极开展海外专利布局，做好专利战略储备，为未来产业走向全球提供支撑。