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      基于專利分析的加氫站技術進展

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      基于專利分析的加氫站技術進展

      發布日期:2021-04-14 作者: 點擊:

      摘要:基于專利檢索與分析,闡述了氫氣充裝與加氫站建設的關鍵技術,以及中國專利技術發展趨勢、申請人、專利布局區域、技術創新主體等,以期為相關技術工作者提供幫助。


      關鍵詞:專利分析;加氫站;氫能 


      能源消費形式正在發生變革,高效節能、智慧用能是現代能源消費模式的典型特征。國際氫能委員會曾發布報告稱,氫能源是能源結構轉型的重要方式,它更加清潔、高效,并可再生,相比于潮汐能、風能等,氫能更便于儲備、運輸,同時它還可作為“能源互聯網”中的重要紐帶?;谶@些特點,氫能產業鏈正在不斷延伸和完善,氫的電解制取、儲氫材料、氫的運輸、燃料電池等氫能技術不斷發展。中國作為工業副產氫大國,氫氣資源充足。因此,作為氫能產業發展的基礎和有利保障的氫氣充裝與加氫站建設至關重要。本文以專利文獻為切入點,采用國家知識產權局專利檢索及分析系統,圍繞加氫站建設的關鍵技術進行分析、總結。

       

      1 加氫站與氫燃料電池


      在整個能源架構里,氫能越來越體現出其優越性,它環保、高能高溫、可存儲、可運輸、可持續再生,完全契合了當前能源消費模式的要求。目前,氫能已經在很多領域表現出了應用潛能。


      在航空領域,歐盟的“CRYOPLANE”計劃證明了液氫作為航空燃料在技術上的可行性;


      在軍事領域,以氫為動力源的潛艇、軍用車已經在應用,成為發展新型軍事能源的新突破口;


      在能源領域,太陽能-氫能系統、生物質-氫能系統等可再生能源制氫技術不斷發展;在交通運輸領域,“自由燃料”計劃、“氫能早期采用者計劃”等氫燃料車推廣項目正在世界各國推行。


      這些應用證實了氫能作為替代能源的可行性。氫燃料電池是利用氫能的有效方法之一。它是直接將反應物中的化學能轉化為電能的發電裝置,反應產物只有電、熱和水,運行平穩,環保無污染。與其他氫能利用媒介相比,氫燃料電池應用廣泛,在交通、分布式發電、移動電源、熱電聯供等重點場景和領域都具有巨大的潛在應用價值,未來還可能應用于宇宙探索等。雖然氫燃料電池在關鍵技術方面已經取得一定的突破,氫燃料電池商用車已投入市場,但從目前的市場推廣情況來看,加氫站等基礎配套設施的建設才是氫燃料電池前進路上的“短板”。


      氫燃料電池的發展和商業化離不開加氫站建設的推動,加氫站的網絡化建設又可促進氫燃料電池的發展。推進氫能的使用,加氫站建設成為關鍵的一環。目前大力發展燃料電池汽車加氫站的國家主要有美國、德國、日本,其均制定了長期的發展規劃,其中日本成為世界上加氫站Z多的國家。


      截至2018年,全球約有369座加氫站,其中亞洲大約136座(日本96座),歐洲大約152座(德國60座),北美地區大約有78座(美國42座)加氫站。2019年數據尚未完善,但是日本成為全球第一個加氫站超過100座的國家。相比國外,中國加氫站發展較為滯后。截至2018年底,中國已建成加氫站23座,其中固定式11座、撬裝站10座、廠內站2座。此外,中國在建加氫站有40座,分別位于北京、上海、江蘇、遼寧、安徽、河南、廣東和四川等地。加氫站建設可以結合現有城市燃氣加氣站進行合理規劃,可以對一些利用率不高的LNG、CNG站進行綜合改造,完成加氫站和加氣站的綜合建設,提高城市燃氣供能多樣性。


      加氫站基礎設施建設與氫燃料電池技術研發是促進氫能產業發展和技術進步的重要舉措。隨著氫能源的逐漸發展,中國在節能減排和新能源汽車產業發展規劃中,對氫能和新能源汽車提供政策支持。如今,氫能產業已經發展到一個風口,那就是加氫站的建設,國務院及各地政府也制定了一些相關政策推進加氫站基礎設施的建設。綜合政府、產業、技術、企業等多方面因素,預估中國加氫站基礎設施建設將在三年內進入快速發展期。

       

      2 加氫站建設技術分析

      2.1 氫氣的儲存


      氫氣的儲存方法按氫氣的物理狀態可分為壓縮氣態氫、液態氫、深冷壓縮氫及漿氫4種,按照儲氫材料類型可分為金屬氫化物、液態有機氫載體、吸附劑(MOF吸附劑、沸石納米管)。


      迄今為止,只有壓縮和液化的物理儲存方法才具有商業價值。因為相對其他技術而言,加壓壓縮或者極低溫液化的操作更容易實現,氫也更便于運輸至終端用戶。從將氫能逐步示范推廣,并成為未來一種重要交通燃料的意義上看,能夠保障將車用氫能安全、經濟的配送到加氫站,并完成車輛加注的解決方案將尤為重要,是其能夠實現產業化發展的先決條件。加氫站需要解決氫能產業從制備到使用過程中的供應及加注問題,為能源消費模式轉變加速賦能,為未來出行減排,氫氣儲存方式對比表見表1。


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      2.2 加氫站系統

      加氫站系統依據不同的功能,可分為制氫系統(自制氫)或輸送系統(外供氫)、調壓干燥系統、氫氣壓縮系統、儲氣系統、售氣加注系統和控制系統6個主要子系統。加氫站通過外部供氫和站內制氫獲得氫氣后,經過調壓干燥系統處理后轉化為壓力穩定的干燥氣體,隨后在氫氣壓縮機的輸送下進入高壓儲氫罐儲存,Z后通過氫氣加注機為燃料電池汽車進行加注。氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的三大核心裝備,其作用如下。


      (1)氫氣壓縮機

      將氫源加壓注入儲氣系統的核心設備,輸出壓力和氣體封閉性能是其Z重要的兩個性能指標。從全球范圍內來看,各種類型的壓縮機都有使用。隔膜式壓縮機輸出壓力極限可超過100MPa,密封性能非常好,因此是加氫站氫氣系統的Z佳選擇,但隔膜式氫氣壓縮機需采用極薄的金屬液壓驅動膜片將壓縮氣體和液油完全分開,液油壓縮結構和冷卻系統較為復雜,技術難度遠高于常規壓縮機。

      (2)高壓儲氫罐

      高壓儲氫罐是加氫站儲氣系統的儲氫容器,儲氣壓力是其主要技術指標。在高壓下,氫氣與傳統工業氣瓶的鋼質內膽易發生氫脆反應,誘發容器壁裂紋生長,加氫站高壓儲氫罐主要采用碳纖維復合材料或纖維全纏繞鋁合金制成的新型輕質耐壓內膽,外加可吸收沖擊的堅固殼體。

      (3)氫氣加注機

      為燃料電池汽車加注氫燃料的核心設備,加注壓力是其主要參數,但其主要結構和工作原理與CNG加氣機并無較大區別,未來的發展方向在于加注系統的智能化和安全性的提高。


      專利對其他專利文獻的引用體現了技術發展的規律、技術之間的繼承和積累,以及不同技術的交叉和滲透,同時也是專利價值的體現。被引證次數較多的10件加氫站系統相關專利見表2,主要涉及加氫站的氫氣生產設備、高壓供氫系統、加氫站的加氣系統、加氫控制系統、快速充裝氫氣的系統與方法、溫升與能耗控制方法、冷卻加注方法、氫燃料加注和卸載系統等多個技術領域。


      專利CN200420082022(表中未列出)是國內企業開始針對加氫設施申請較早的一篇專利,公開了一種非電驅動的移動式高壓氫氣加注系統,包括氫氣增壓器、液壓空壓機、加氣機、控制和調節閥門,可用于燃料電池汽車的道路試驗和示范運行中的氫燃料加注。同濟大學申請的CN200810203556.5專利公開了一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統,包括控制系統、采樣系統、加注系統、報警系統和氮氣吹掃系統,可提高加氫站的取氣率及保證在快速加注過程中,被加注車載儲氫瓶的溫升嚴格控制在要求的溫度范圍內,共被引證達21次,具有重要技術應用價值。同濟大學氫能技術研究所自2007年開始先后申請了7件專利,在氫能基礎設施和燃料電池領域做出了突出貢獻,研制出了國內第一輛移動加氫站,建設了上海第一座固定加氫站,填補了中國在氫能領域的空白。同時,其在副產氫氣的利用、氫氣品質的研究以及燃料電池汽車的車載高壓供氫系統的研制方面也做出了杰出貢獻。


      近幾年國家對氫能領域的重視程度的提高,國內科研院所和企業更加重視加氫站的開發,在核心技術領域取得了一定的成效。

       

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      2.3 中國專利申請總體趨勢

      通過中國專利申請總體趨勢圖見圖1,從圖1可以看出,從2004年開始,國內企業開始針對加氫設施申請專利,相關專利一直呈現波動式申請趨勢。在2015年之前,專利申請量較少,平均每年申請量在15件左右。但在2016年專利申請數量獲得爆發式增長,并且從2017開始專利申請數量連續3年達到甚至超過150件,一直處于較高申請量。2018年專利申請超過200件。加氫站專利申請的劇增,表明加氫站的技術發展正由2004-2015年的萌芽期進入技術增長期。


      2016年開始企業、研究院所、高校的研發機構開始逐漸重視該技術,并持續的投入研發。從專利的公開趨勢來看,2016-2019專利申請數量的激增,表明中國加氫站產業相關技術獲得快速發展,可以預計中國加氫站的建設將進入快速發展階段。技術的爆發式增長伴隨著國家政策的引導以及國家戰略性規劃的制定實施,中國氫能基礎設施的建設將得到快速的發展。


      2016年來,一系列戰略性規劃的制定推進氫能產業鏈快速完善。2016年《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030)》的制定,明確了中國能源技術革命的總體目標:到2020年,能源自主創新能力大幅提升,一批關鍵技術取得重大突破,能源技術裝備、關鍵部件及材料對外依存度顯著降低,中國能源產業國際競爭力明顯提升,能源技術創新體系初步形成;到2030年,建成與國情相適應的完善的能源技術創新體系,能源自主創新能力全面提升,能源技術水平整體達到國際先進水平,支撐中國能源產業與生態環境協調可持續發展,進入世界能源技術強國行列。2019年“推動充電、加氫等設施建設”等內容被寫入《政府工作報告》,這是氫能產業首次被寫入政府報告,表明國家對氫能、加氫站等基礎設施建設的重視。預計更多的相關產業扶持政策也將陸續推出,國內氫能源配套設施建設有望迎來高潮。


      2.4 專利權人分析

      中國加氫站專利申請量居前10的公司分別為蚌埠艾普壓縮機制造有限公司、中科液態陽光(蘇州)氫能發展有限公司、鄭州宇通客車股份有限公司、張家港富瑞氫能裝備有限公司、張家港氫云新能源研究院有限公司、上海氫楓能源技術有限公司、浙江昊凡科技有限公司等。


      通過對中國加氫站專利申請量居前10的公司的技術領域及其申請情況分析可知,在加氫站應用方面的專利數量較多,具體技術設備包括壓縮機、儲氫罐、液氫泵、氣化器、冷卻器、分配器;主要涉及的技術有氫氣制取、氫氣儲運、氫氣液化、加氫站設計等。前10名專利權人中企業占比較大,共有9家企業入榜,高校僅有1家,存在明顯的不平衡性。


      有數據統計顯示,高校和科研機構是專利協同創新體系中的重要支撐,具有代表性和一定實力的企業可通過技術協作、合作開發、共建研發實體、共建聯合實驗室、研究基金合作等形式,借助國內高校、科研院所的力量推動氫能產業的合作研發。加強企業與高校、研究院所的合作,實現互相支持、互相滲透、互相介入、優勢互補、資源互用、利益共享是促進技術管理現代化的重要途徑。在加氫站技術中,企業發揮了創新主體的作用,但是在中國當前大背景下,高校、研究院所的科技人力資源還應發揮其創新主力的作用,使企業的主體地位與高校、研究院所的主力作用有機統一起來。專利權人前十名情況見圖2。


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      2.5 地域分析

      為研究氫能專利技術,特別是加氫站專利技術的地域分布情況,對加氫站相關的817件專利按照專利權人所屬省份分類,江蘇省、北京市、廣東省、浙江省、上海市專利占有量分列前五,在加氫站技術發展中起到了先鋒作用。圍繞這五大省份建立華東、京津冀、華南、華中等氫能產業集群,發揮其技術優勢,建立起相對成熟的產業配套和商業化應用體系,對氫能產業鏈的發展具有重要的推動作用。專利申請數量地域分布見圖3。


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      3 結語


      中國是能源消耗大國,能源需求量還將在較長時期內保持增長。發展氫能產業,是踐行能源革命戰略、保障國家能源安全的重要選擇。在立足國情的基礎上探索和發現中國氫能產業發展道路,不僅必要而且可行??梢灶A見,中長期內氫能在中國能源終端消費領域的地位將日益顯現出來,本文從加氫站專利技術的角度出發,闡述了加氫站的關鍵技術、專利權人以及技術發展趨勢,在一段時間內加氫站建設應立足于技術發展程度、市場成熟度、國家戰略發展規劃,恰當把握發展節奏,推進加氫站基礎設施的建設。


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