液流电池技术国际专利态势分析

瞿海妮，马廷灿，戴炜轶，李莉华，赵三姗



液流电池技术国际专利态势分析

瞿海妮1，马廷灿2，戴炜轶2，李莉华1，赵三姗1

（1国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200122；2中国科学院武汉文献情报中心，湖北武汉 300071）

液流电池技术作为一种大规模高效电化学储能技术，具备寿命长、安全可靠等突出优势。本工作以液流电池技术为研究对象，通过对液流电池技术相关专利的分析，揭示该技术领域研发和专利申请活动的特点，为我国在这一具有战略重要性的储能技术领域中的研发和产业化提供知识产权情报支撑。在调研液流电池技术研发概况的基础上，利用Derwent Innovations Index（DII）数据库检索液流电池相关专利信息，并使用TDA、Innography等分析工具，从专利申请数量的年度变化趋势、技术研发主题、主要竞争国家/地区、主要专利申请人等方面，对全球液流电池技术的整体专利态势进行了分析。结果发现，日本在该技术领域处于全球领先地位，近年来全球液流电池的专利申请数量呈现爆发式增长，并开始走向商业化应用。

液流电池；钒电池；专利分析；知识产权

随着人类对能源需求的与日俱增，以水能、风能、太阳能等为代表的可再生能源取得了极大的发展。但由于可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控等特性，其规模化发展必须有先进的储能技术作为必要的支撑。因此，储能技术和产业日益受到高度重视，各种新型电化学储能电池技术的研究开发不断取得进展。作为新一代储能技术，液流电池技术得到了飞速发展。特别是全钒液流电池技术，因其具有寿命长、规模大、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一。

液流电池一般是通过液态活性物质发生氧化还原反应，实现电能与化学能相互转换与能量存储，因此也常称为“氧化还原液流电池”。液流电池的活性物质是具有流动性的液体电解质溶液。它可以存储在电堆外部并通过泵输送到电池内反应。电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开，在充、放电过程中，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化，实现化学能与电能的转换，从而实现电能的存储与释放[1-3]。根据活性物质的不同，液流电池可分为全钒、锌-溴、多硫化钠-溴、铁-铬等多种技术路线。

液流电池具有以下特点：①储能容量规模易调节，适于大规模储能；②液流电池储能系统选址自由度大，维护简单，操作成本低；③电解质溶液为水溶液，电池系统无潜在的爆炸、着火危险，安全性高。液流电池储能系统作为高效的储能装置有着广阔的应用前景和巨大的商业潜力。如液流电池在可再生能源发电和智能电网建设中将会有重大需求，可用于电动汽车充电站，也可用作国家重要部门的备用电源以及通讯基站电源等[4-6]。

在液流电池研究开发过程中，需要加强液流储能电池关键材料（如电解液、离子交换膜、电极材料等）及电池结构的研究，提高电池可靠性和耐久性。同时，应进行关键材料的规模化生产技术开发，进一步降低成本，并且积极开展应用示范，为液流储能电池的产业化和大规模应用奠定基础[1,7-8]。

本工作以液流电池技术为研究对象，在文献调研和专家咨询的基础上，对液流电池技术专利进行系统检索、分析，力求全面、客观地展现全球液流电池技术领域的研发态势和专利保护现状，为该领域的技术研发决策、产业化布局提供参考意见。通过检索DII专利数据库，共得到液流电池技术相关专利（族）2800多项。本工作主要从专利申请量的时间趋势、技术主题、申请/受理国家与地区、重点专利申请人等方面对液流电池技术领域的全球专利态势进行分析。

1 液流电池技术国际专利申请趋势分析

液流电池技术相关专利的申请始于20世纪60年代。如在1967年，美国的JAN Boeke就申请了两件关于液流电池及其在汽车中应用的专利。1968年，英国的Electricity Council及以色列的Dead Sea Works公司联合申请了锌溴液流电池；美国通用电气公司申请了关于利用液流电池测量气体分压的专利。美国NASA于20世纪70年代起也开展了液流电池技术相关研究，NASA Lewis研究中心的THALLER曾提出Fe-Ti和Fe-Cr体系液流电池，制备了最早的Fe-Cr液流电池，并申请了相关专利，但在20世纪80年代中期终止了相关研究。

从专利数量随申请年的变化趋势（图1）来看，1967年出现最早的液流电池技术专利申请，此后的10多年中相关专利申请数量一直很少。直到进入20世纪80年代，随着日本机构的大举进入，相关专利申请数量才开始出现实质性的增长，并呈现较快增长趋势。但受制于技术进展和应用瓶颈，到了80年代末期，相关专利申请数量开始下降，并在此后的大约10年中振荡不前。90年代末，相关专利申请数量恢复到80年代中后期的水平，但在随后大约10年中又没有实质性增长。一直到近几年，随着中国相关专利申请数量的激增，全球液流电池技术专利申请才迎来爆发，标志着液流电池技术逐步成熟，并开始走向商业化应用。

（数据检索时间为2015年12月15日。由于收录滞后等原因，故2014、2015年的数据会小于实际数据，下文同）

图2、图3分别给出了液流电池专利技术发明人及其相关技术条目（基于IPC）的年度变化情况。可以看出，进入21世纪以来，特别是2009～2013年间，每年都有大量的新发明人进入液流电池技术领域，该领域每年也都有一定数量的新技术条目出现（新发明人是指新进入该领域的专利发明人；新技术条目是指基于IPC号统计，新出现在该领域的IPC号）。相关发明人总量和技术条目总量的变化趋势与专利申请数量的变化趋势基本一致，反映出在近几年来，该技术领域汇聚了大量的研究人员，技术研发取得较大进展，应用领域迅速扩大。进一步表明液流电池技术已经开始走向成熟，迎来商业化阶段。

2 液流电池技术国际专利技术主题分析

国际专利分类（IPC）是国际通用的、标准化的专利技术分类体系，蕴含着丰富的专利技术信息。通过对液流电池技术专利的IPC进行统计分析，可以准确、及时地获取该领域涉及的主要技术主题和研发重点。

本次检索到的2800多项液流电池技术专利共涉及1000多个IPC分类号。表1列出了液流电池技术专利申请量大于50项的IPC分类号及其申请情况，这些分类号涵盖了2400多项专利，约占全部分析专利的85%。可以看出，液流电池技术专利申请主要集中在以下方面：①电解质/电解液的制备，特别是用于钒电池的；②电极材料选择及制备方法；③离子交换膜隔膜（材料及制备方法）；④电池模块成组技术；⑤电池控制管理技术，包括充放电控制等；⑥液流电池储能技术在电力系统中的应用等；⑦电池检测及监测技术（G01R—31/36）等。

表1 液流电池技术主题布局及申请情况（申请量>50项）

注：由于2015年的专利申请多数都尚未公开，近4年指的是2011年、2012年、2013年、2014年。

3 液流电池技术国际专利申请国家/地区分布

图4给出了液流电池技术专利申请数量最多的前8个国家以及相关专利受理数量较多的几个国家/机构（专利受理机构包括：世界知识产权组织和欧洲专利局）。从专利申请数量可以看出，全球液流电池相关专利技术的研发主要集中在中国、日本、美国、韩国、德国、英国、澳大利亚以及奥地利等。其中，中国、日本、美国、韩国、德国5国的液流电池技术专利申请数量占到全球申请总量的90%以上，特别是中国、日本和美国3国就占到全球申请总量的80%以上。从专利受理数量来看，中国、日本和美国3国受理的液流电池技术专利申请数量也是位列前3，全球85%以上的液流电池技术专利都在这3个国家的一个或几个申请了专利保护，可见中国、日本和美国不仅是液流电池技术的主要研发国家，也是最重要的潜在应用市场。

世界知识产权组织受理的相关专利申请数量位列美国（专利与商标局）之后。约有1/5的液流电池技术专利采用了PCT申请途径，以加快在全球的布局。欧洲专利局、韩国以及加拿大等受理的相关专利申请数量也比较多，表明这些地区也是液流电池技术重要的潜在应用市场。

图5给出了主要国家/地区液流电池技术专利申请数量的年度变化情况。可以看出，日本的液流电池技术专利申请起步很早，而且从20世纪80年代初期开始一直到2005年前后，其年度专利申请量几乎都占到全球年度申请总量的一半以上，是全球总体变化趋势的主导力量，但是近年来的相关专利申请数量增长速度不及中国、美国和韩国；美国的液流电池技术专利申请虽然起步早于日本，但自从20世纪80年代初期日本机构大举进入后，其相关专利申请数量一直没有明显的持续增长，而且与日本一直有较大的差距，直到近几年才开始快速增长，并超过日本；德国的液流电池技术专利申请起步也较早，但相对日本和美国，其相关专利申请数量一直较少；相对于日本、美国和德国，中国进入液流电池技术领域较晚，不过进入21世纪后，特别是2008年以来相关专利申请数量急剧增长，迅速超过日本和美国，成为目前全球最大的液流电池技术研发和专利申请国以及全球最大的液流电池技术应用市场。韩国进入液流电池技术领域更晚，不过近年来的相关专利申请数量增长也很快。

4 液流电池技术国际专利权人分析

表2列出了全球液流电池技术专利申请不少于15项的一些机构及其专利申请的时间分布情况。表3给出了主要液流电池技术专利权人的专利技术区域保护情况。

表2 主要液流电池技术专利权人及其专利申请时间分布情况

注：在“类型”属性中，“ã”代表企业性质，“D”代表非企业性质的专利权人

表3 主要液流电池技术专利权人的专利技术区域保护情况

从机构类型来看，除了中国科学院、中国清华大学、日本产综研、韩国能源研究院、韩国电子技术研究所等少数几家科研机构和高校外，其它绝大多数液流电池技术专利权人均为企业。可以看出，液流电池技术领域的相关研发与专利申请主要是由企业主导。不过，相比其它几个主要国家，科研机构和高校在我国液流电池技术领域，特别是在通过产学研合作推动我国相关技术快速进步及产业化发展进程中发挥了重要作用。

从国别来看，液流电池技术主要相关专利权人中，来自中国和日本的机构数量最多，其次是美国和韩国。具体来看，日本液流电池技术专利申请数量较多的机构包括住友电气、明电舍、关西电力、三菱化学、丰田、东洋纺、Kashima-Kita电力、产综研、德山株式会社、旭化成、日立等。其中，目前在液流电池技术仍然比较活跃的机构仅有住友电气、丰田、东洋纺和旭化成等少数几家机构，而明电舍、关西电力、三菱化学、Kashima-Kita电力、产综研、德山株式会社、日立等其它多数机构在2008年后都没有相关专利申请，特别是明电舍和产综研在2000年后就已经都没有再申请相关专利。总体来看，日本相关主要机构都比较重视在全球范围内的专利布局保护。住友电气是日本乃至全球在液流电池技术领域中的领军技术研发机构和相关技术解决方案供应商，其专利申请涵盖液流电池技术领域的各方面，并在全球主要市场区域都进行了很好的布局，有较深的技术积累，特别是在液流电池电解质/电解液和控制管理系统方面领先优势明显。

中国液流电池技术专利申请数量较多的机构主要有中国科学院、大连融科、东方电气、国家电网、深圳金钒能源、清华大学、中国人民解放军63971部队、攀钢集团、北京百能汇通科技、安徽美能储能、成都天宇创新科技、湖南维邦新能源等。相比日本机构，中国机构进入液流电池技术领域普遍较晚。除中国科学院和攀钢集团外，其它机构基本都是在2005年，甚至是2008年以后才开始提出相关专利申请的。虽然中国科学院、大连融科、东方电气、国家电网、深圳金钒能源、清华大学等几个重点机构对其相关技术也都进行了一定的国外布局保护，但保护力度明显弱于日本相关主要机构。目前，我国已经成为液流电池技术领域全球第一大专利受理国和申请国。未来，我国要想真正成为液流电池技术领域的技术引领和主导国家，将我国相关技术推向全球，相关机构亟需加强相关专利技术的国外布局保护。

如前所述，虽然液流电池技术最早起源于美国，但自从20世纪80年代初期后，其相关专利申请数量一直没有明显的持续增长，也是大致从2008年才开始快速增长。美国液流电池技术专利申请数量较多的机构有美国联合技术公司、Imergy 电力系统公司（原名迪亚能源）、洛克希德马丁、Primus电力、EnerVault公司等。与中国的情况类似，美国目前该领域比较活跃的机构基本也都是2005年以后才开始申请液流电池技术专利的，而且相关专利申请绝大多数也都是集中在2008年以来。不过，美国的这些机构都非常重视其相关专利技术在全球主要市场国家的布局保护，而且多数机构都有自己的特长和专攻。如联合技术公司的研究创新机构——联合技术研究中心开发的Pure Storage液流电池储能技术瞄准公用事业设备和可再生能源电力转换，致力于提供可靠的备用电力，凭借“以传统液流电池5～10倍的功率密度提供安全、高能效和易于部署的电能存储”的能力，被行业专家和《R&D》杂志授予2013年度“R&D 100”大奖[9]。再如Imergy 电力系统公司通过循环再利用矿业废渣、油田污泥等环境废料中的钒，生产高性能的钒液流电池，不仅降低了成本，还提高了储能电池的性能[10]。Primus电力则在锌氯液流电池、锌/溴液流电池等方面有所专攻。

韩国的主要液流电池技术专利申请机构包括韩国能源研究院、三星、乐天化学、韩国电子技术研究所、韩国OCI公司等。韩国主要机构进入液流电池技术领域的时间普遍很晚，基本都是2008年后才开始进入的。韩国机构相关专利技术的全球保护力度不及美国，与日本接近，优于我国。

5 结论与启示

5.1 结 论

液流电池技术的研究至今已有四五十年的历史，相关专利申请始于20世纪60年代，但在随后的二三十年中，相关技术研究进展缓慢、市场应用需求不足，表现为专利申请数量没有持续的大幅增长，而且相关技术研发及专利申请长期由日本机构占据主导地位。直到进入21世纪后，特别是近年来，在强大的社会需求和巨大的潜在市场的推动下，随着作为液流电池技术领域目前主流技术的钒电池技术的不断成熟以及中国机构和美国机构的大举进入，液流电池作为一种大规模高效电化学储能技术才迎来蓬勃发展时期，并开始走向商业化应用。

目前，液流电池技术专利申请主要集中在以下方面：①电解质/电解液的制备，特别是用于钒电池的；②电极材料选择及制备方法；③离子交换膜隔膜（材料及制备方法）；④电池模块成组技术；⑤电池控制管理技术，包括充放电控制等；⑥液流电池储能技术在电力系统中的应用等；⑦电池检测及监测技术等。其中，高稳定性电解液、高选择性低成本离子交换膜、高反应活性电极等关键材料的低成本、批量化制备技术仍是液流电池大规模产业化必须的关键基础技术。相应地，液流电池技术领域的主要发展趋势包括：更高的电解液稳定性、更好的离子交换膜选择性、更强的电极反应活性以及更低成本的批量化制备技术。

目前，全球液流电池技术的研发主要集中在中国、日本、美国、韩国、德国，特别是中国、日本和美国3国的液流电池技术专利申请量占到全球申请总量的80%以上。

日本住友电气目前仍是全球液流电池技术领域中的领军技术研发机构和相关技术解决方案供应商。2015年底，日本住友电气工业在安平町南早来变电站建设的大型蓄电池系统完成，额定输出功率为15 MW，容量为60 MW·h，是投入使用的世界最大规模氧化还原液流蓄电池[10]。中国、美国和韩国目前在液流电池技术领域比较活跃的主要机构基本都是近10年才开始进入该领域的，而且相关专利申请绝大多数也都集中在2008年以来。从专利技术的全球保护力度来看，美国机构表现最为突出，日本和韩国机构表现较好，中国机构表现较差。

5.2 启 示

近年来，在大规模社会需求推动下，液流电池得到了快速发展。特别是全钒液流电池技术因其具有寿命长、规模大、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一。我国钒矿资源丰富（钒储量和产量均位列全球首位），通过自主研发及跨国整合，目前我国已掌握了钒电池的全部关键技术[11]。目前，我国已经成为全球最大的液流电池技术相关专利申请国与受理国。我国机构已成功开发了5 MW/10 MW·h大规模的全钒液流电池储能系统，我国科学家组织研究制定国际上液流电池标准体系[4, 12-13]。

与全球总体情况大致相同，目前企业是我国液流电池技术相关专利申请的主力军。但与日本、美国等其它国家不同，科研机构和高校在我国液流电池技术的早期研发中发挥了引领作用，并通过产学研合作推动我国相关技术快速进步及产业化蓬勃发展进程中发挥了重要作用。目前，我国政府层面与产业界以及学术界均认为液流电池，特别是钒液流电池在我国具有很好的发展和应用前景。我国相关机构和部门应进一步加强液流电池技术研发和产业发展规划与布局：通过国家政策和项目的引导和资助，鼓励官产学研合作，发挥我国科研机构和高校的技术研发特长以及企业在资金及市场把控方面的优势，合力推进我国液流电池技术研发和产业化应用取得新的突破；控制低水平、同质化的专利申请，引导部分重点科研机构以及企业加强专利总体布局，建立申请-授权-转让的知识产权服务通道，打通技术研发和产业化间的阻塞环节；激励我国机构更多主导、参与相关国际标准的制定，并积极将我国的专利技术，特别是特有的核心专利技术嵌入相关标准，进一步提升我国在液流电池技术领域的综合核心竞争力、影响力及国际话语权，为我国液流电池储能产业的健康、可持续发展保驾护航。

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The analysis of international patents in flow cell technology

QU Haini1,MA Tingcan2,DAI Weiyi2,LI Lihua1,ZHAO Sanshan1

(1Shanghai Electric Power Research Institute, Shanghai 200122, China;2Wuhan Literature and Information Center of the Chinese Academy of Sciences, Wuhan 300071, Hubei, China)

Flow batteries are used mainly for large-scale energy storage, which have a great number of outstanding advantages, including long lifespan and high safe reliability. In order to reveal the development features of this technology and provide intellectual property strategy support for our country, we study the international patents in flow cell technology. The patent information in this article is gathered from the Derwent Innovation Index (DII). By using the method of literature investigation, we summarize the overview of the flow cell technology development. Then we analyze the trend of the patent application number, the layout of the technology, the situation of patent applications on flow cell in the main countries or regions, and the significant patentees by using the analysis tools—TDA and innography. As a result, we find that Japan takes the lead in this sector, and the dramatic rise in patent application number recently shows the gradually mature of flow cell technology.

flow cell; vanadium battery; patent analysis; intellectual property

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0018

TM 911

A

2095-4239（2016）06-926-09

2016-03-09；修改稿日期：2016-05-26。

瞿海妮（1981—），女，博士，情报咨询工程师，研究方向为数据挖掘、大数据技术、智能电网、需求侧管理技术等，E-mail：hattiequ@126.com；通讯联系人：马廷灿，副研究员，研究方向为知识产权情报研究、科学评价，E-mail：matc@whlib.ac.cn。