中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术的发展进程、存在问题与对策研究——基于DII 数据库的实证分析

吴 婷,钟书华

（华中科技大学 公共管理学院,湖北 武汉 430074）

以技术生命周期为时间轴,从专利申请情况、政策工具应用情况和市场发展情况三个维度,分析中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术的发展进程;多角度、全方位地了解中国氢燃料电池汽车PEMFC技术的发展情况及其相互间的关系,有利于厘清该技术发展的内在规律、挖掘政策工具应用如何影响专利申请和市场发展,对于促进该技术市场化发展无疑有重要的现实意义。

质子交换膜燃料电池亦称做固体聚合物燃料电池（solid polymer fuel cell）。这里选取德温特创新索引专利数据库（DII）进行专利数据收集,全球燃料电池汽车质子交换膜燃料电池专利检索表式如下:德温特手工代码:（X16-C01C）AND 主题:（“vehicle∗”）,其中X16-C01C 代表固体聚合物燃料电池。使用该检索式检索出自1967—2019 年数据4 333 条,数据结果最早可追溯到1991 年。导出相关数据,将数据清洗并整理后得到4 191 条数据,利用Incopat 软件进行数据统计与分析。

政策文本的选择是在法律之星——中国法律检索网站。输入关键词“质子交换膜燃料电池”,检索出截止到2019 年12 月31 日相关法规134 条,去除重复与不相关政策文本,得到105 条法律法规。

一、中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术发展进程

根据全球氢燃料电池汽车PEMFC 技术专利申请量的变化趋势,可将氢燃料电池汽车PEMFC 技术发展分为萌芽期（1991—2002 年）、成长期（2003—2012 年）和成熟期（2013—2019 年）。这里从萌芽期、成长期和成熟期三个阶段,分别对中国技术发展情况、政策工具应用和市场发展情况进行分析,描述中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术曲折的发展进程。

（一）氢燃料电池汽车PEMFC 技术的萌芽期（1991—2002 年）

从氢燃料电池汽车PEMFC 整个技术生命周期看,中国排名世界第五,在该领域专利申请最早出现在1998 年,共有51 个专利,与专利数量2 569 件排名第一的日本差距悬殊。中国关于质子交换膜燃料电池的法律法规最早出现在2001 年,该年份仅有3 条相关法律法规。萌芽期都属于环境型,且工具名称都是目标规划,说明中国正准备拉动PEMFC 产业的发展。

北京理工大学于1997 年研制成国内第一个小质子交换膜燃料电池电堆;大连化学物理研究所、长春应用化学研究所分别研制成小型质子交换膜氢燃料电池电堆。天津大学、清华大学、上海交通大学等也都开展了小型质子交换膜氢燃料电池研究。1998 年底,北京理工大学在兵器工业总公司的支持下,研制成质子交换膜氢燃料电池电堆驱动的供单人驾驶乘坐的微型电动汽车[1]。中国质子交换膜燃料电池研究进程和市场化进程均慢于技术领先国[2]。

（二）氢燃料电池汽车PEMFC 技术的成长期（2003—2012 年）

中国氢燃料电池汽车PEMFC 专利数量在成长期仍不高,共15 件,除2012 年专利申请数量达到6件外,其余年份都是0 件、1 件或2 件,其中发明申请7 件,实用新型8 件。中国在该领域的专利权人世界排名也靠后,专利被引次数在1～10 区间中的专利有10 件,11～20 区间中的有3 件。

该时期“质子交换膜燃料电池”相关政策共有56 条,其中2006 年发布政策最多,共有13 条。2006 年之后的政策除2008 年发布了3 条最少外,其他年份稳步在6～9 条。成长期政策工具应用情况有了明显变化,政府采用了环境型、供给型、需求型等政策工具。环境型政策工具占比53.73%,其中目标规划占94.45%;供给型政策工具占比29.86%,其中信息服务占69.99%;需求型政策工具占比16.42%。成长期中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术发展的推动力不足、拉动力太小,环境型政策工具的影响难以有效发挥。

进入21 世纪,国际上氢燃料电池汽车技术有大突破,美国、日本和欧洲相继提出了发展氢能计划[3]。在国内,国家于2001 年9 月启动“863 计划”电动汽车重大科技专项,开创性地提出了新能源汽车发展的“三纵三横”战略,同时也自主研制出氢燃料电池汽车[4]。

随后几年,氢燃料电池汽车的发展风向逐渐变化。在中国,使燃料电池汽车发展几近停顿,唱衰的声音开始增多,各地多将重点放在纯电动汽车。在经历了2008 年北京奥运会与2010 年上海世博会短暂热潮后,氢燃料电池汽车日渐式微[5]。

（三）氢燃料电池汽车PEMFC 技术的成熟期（2013—2019 年）

中国专利申请量在成熟期的增长率大大增加,从2014 年的0 件增长到2017 年的10 件。2017—2019 年是中国目前在氢燃料电池汽车PEMFC 技术领域专利申请量最高的三年。成熟期在中国该领域申请专利共36 件,其中发明申请21 件,实用新型15 件。

中国专利权人排名第一的是专利申请量有4件的北京建筑大学。申请人类型构成上,中国企业有18 个,大专院校15 个,科研单位2 个,个人1 个,企业在专利申请中占主导地位。被引次数在1～10区间中的专利有10 件,11～20 区间中的有2 件。

2013—2015 年,中国的政策发布数量呈下降趋势,从6 条降为4 条,之后又呈上升趋势;2018 年政策发布数量最多,达到10 条,2019 年又降到4 条。成熟期三种类型政策工具应用较成长期平衡。环境型政策工具占比37.35%,下降16.38 个百分点;供给型政策工具占比33.72,上升3.86 个百分点;需求型政策工具占比28.91,上升12.94 个百分点。成熟期目标规划政策占环境型政策工具的77.43,较成长期占比少,环境型政策工具的结构也趋于合理化,但还有调整空间;供给型政策工具内容更完整,但比例未达到最佳;需求性政策工具除了技术标准和价格补贴,还需重视其他如政府采购等内容。

2013—2017 年,全球氢燃料电池汽车销量仅为6 475 辆,其中大部分为丰田的Mirai 系列。2018 年有了较大幅度的增长,合计销售5 525 辆;2019 年全球销量增至7 500 辆,其中主要增量来自于中国。2015—2019 年间,中国燃料电池汽车的销量分别为10 辆、629 辆、1 275 辆、1 527 辆、2 737 辆,截至2019 年底中国氢燃料电池汽车保有量达到6 175辆。2019 年的销量是2015 年的273.7 倍,是2018年的1.79 倍。中国历年加氢站建设数量2015 年后增长明显,2019 年有加氢站30 座[6]。

二、中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术的全周期

可以从政策工具类型、技术生命周期两个维度分析中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术政策工具的应用情况,总结政策工具发挥的作用,并对中国氢燃料电池汽车的市场化程度进行判别。

（一）全周期政策工具应用情况分析

图1 分别是政策工具类型、需求型、环境型和供给型的饼状图。从全周期来看,三种政策工具类型中,环境型政策工具占比最高,达到46.10%。其中目标规划在环境型政策工具中占比是最高的,为87.32%,表明政府重视氢燃料电池汽车PEMFC 技术的长远发展;其次是公共服务占比9.86%,策略性措施和知识产权占比最少,均只有1.41%,说明了政府缺乏推动该领域发展的动机。供给型政策工具在全周期中占比31.17%,其中信息服务占比60.42%,在供给型政策工具中占比最高,其他依次为资金支持,占比29.17%,技术支持,占比6.25%,人才激励和基础设施均占比2.08%,人才激励、基础设施和技术支持政策还有很大的提升空间。需求型政策工具占比22.73%,其整体比较缺失,除了占比74.29%的技术标准和25.71%的价格补贴,其他需求性政策未涉及。

图1 三种类型政策工具分析结果

从技术生命周期各阶段看,技术萌芽期的政策工具应用极少,只占了2.6%,说明中国在氢燃料电池汽车PEMFC 技术的发展起步晚,相关政策出台也晚;技术成长期,相关政策工具不断出现,最终占比43.5%,体现了政府对该领域的重视程度大大加深;技术成熟期该领域政策工具应用占全周期的53.9%,表明政府更加坚定了在该领域的发展,发展时机也更加成熟。

（二）全周期政策工具应用作用分析

环境型政策工具对氢燃料电池汽车PEMFC 技术研发有积极影响。自2001 年起,中国促进质子交换膜燃料电池、氢燃料电池汽车技术发展的政策不断发布,一方面出现的工具名称是目标规划,属于环境型政策工具。在技术的萌芽期和成长期,中国环境型政策应用得最多,高达56.34%,2006 年是环境型政策（目标规划）应用最多的一年,都明确提出要重点开发质子交换膜燃料电池技术。另一方面,中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术专利申请量在2003 年开始增加,2003—2012 年的专利申请量总体上是不断上升的,可见环境型政策一定程度上有助于技术的研发。

供给型政策工具为氢燃料电池汽车的市场化积蓄力量,为市场化奠定基础。2010 前后几年的供给型政策工具集中度较高,主要为资金支持政策,且2009 年出现了技术支持政策、2014 年出现了人才激励政策。2008 年奥运会和2010 年世博会期间,中国还对氢燃料电池汽车进行了一些投入。另一方面,中国氢燃料电池汽车于2015 年开始销售,此后销量不断增加。表明了中国供给型政策工具为氢燃料电池汽车的展示提供了一些支持,为中国氢燃料电池汽车的市场化起到了推动作用。

需求型政策工具对氢燃料电池汽车产业的市场化起拉动作用。中国关于质子交换膜燃料电池相关政策的需求型政策工具只有技术标准和价格补贴两种,价格补贴政策2018 年才出现。而中国氢燃料电池汽车销量的增长从2015 年开始,近两年增长速度不断加快,体现了价格补贴所起的作用是不能忽视的。但需求型政策工具整体上比较缺失,还需不断完善才能更好地拉动氢燃料电池汽车产业的发展。

（三）中国PEMFC 技术发展进程分析

大数据分析表明,在技术萌芽期,新技术研发风险较大,专利数较少,市场尚不明确;技术成长期,研发参与者扩大,专利大量涌现,新技术产业化加速,市场需求增加;技术成熟期,技术难题已基本解决,专利申请量增速变缓,市场化程度较高。该阶段需要加大研发投入,是该技术持续领先和获利;技术衰退期,技术发展趋于饱和,技术逐渐被其他技术替代,最终退出市场。

据此发现中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术已处在技术成熟期,但其市场化程度依然不高,不符合技术生命周期规律。根据Gartner 公司提出的技术循环曲线,认为中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术正处于稳步爬升的光明期,实质生产的高峰期还未到来。

三、中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术发展存在的问题

中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术与技术领先国还存在明显差距,市场化程度也不高,同时在政策工具应用、核心技术占有、技术水平等方面还存在问题。

（一）政策工具应用不平衡

从全周期来看,政府在质子交换膜燃料电池领域更多地向环境型政策工具倾斜,而对需求型政策工具的应用较为缺乏。

从内部结构上看,环境型政策工具中目标规划应用频率过高,策略性措施和知识产权政策占比都只有1.41%,其他如人才培养、税收优惠和法规管制在氢燃料电池汽车PEMFC 技术整个发展过程中都未使用。供给型政策工具中,虽然技术支持、资金支持、信息服务、人才激励和基础设施建设五小类均采用了,但信息服务占比过高,人才激励和技术支持不足,不利于政策产生效果。需求性政策工具整体比较缺失,政府采购、贸易管制和对外承包三种工具均未涉及,而需求型政策工具的作用又是不容忽视的。同时,政策工具多为地方性的,国家层面政策工具缺失。

（二）核心技术占有量低

中国在氢燃料电池汽车PEMFC 技术领域的专利申请量在世界前列,但中国在该领域的专利权人均未能进全球专利申请量排名前十。说明中国氢燃料电池汽车虽市场容量大,但中国的研发团队在国际上也处于劣势地位。另一方面,中国专利被引量不及美、日、德等技术领先国,体现了中国核心技术占有量低,影响力较小。

（三）整体技术水平较低

中国燃料电池汽车经过近年来发展,与国际先进水平相比,其整车总体布置、氢气消耗量、动力性等基本性能方面已差距不大,在控制和动力系统的集成方面也有显著进步,但在关键零部件、关键材料及工艺、低温冷启动、耐久性以及整车集成等方面仍有明显差距。另外在成本差距上,更是存在难以跨越的鸿沟。由于催化剂铂使用量和燃料电池系统成本均高于国际先进水平,因此国内客车动辄百万元以上的售价,Mirai 乘用车售价已经低至45.7 万元,补贴后合约33 万元[7]。

（四）技术成果的市场转化低

在中国,尽管政策与文件中氢燃料电池汽车被列为大力发展的新能源汽车之一,但在执行和实践中,氢燃料电池汽车客观上已被边缘化和遭到忽视,中国只有少部分车企保持对氢燃料电池汽车的投入。目前,中国氢燃料电池汽车的市场容量巨大,但还未能培育出一条完整的产业链,氢燃料电池汽车部分材料上的技术攻克和量化生产仍然存在一些问题,中国企业仍旧不具备批量生产氢喷射器、空压机、质子交换机等关键零部件,只能通过外国进口,对于中国中小型企业来说是一种很大的负担。另外,国内氢燃料电池汽车产出以专用车和客车为主,加氢站等基础设施还不完善,种种问题致使氢燃料电池汽车PEMFC 技术成果的市场转化低,氢燃料电池汽车的产业化困难。

四、中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术的发展对策

加快中国氢燃料电池汽车PEMFC 技术发展,需要系统施策,目标是产品化、产业化、商业化、市场化。

（一）协调政策工具结构比例

在技术研发阶段,应重视环境型政策工具的应用,选择目标规划、知识产权和人才培养工具,通过政策调节建立外部环境,同时选择资金支持政策工具,有利于明确发展的战略目标,加强知识产权的保护并培养优秀人才,促进技术的发展。

在市场导入阶段,加强人才激励,选择资金支持和技术支持政策,做好信息服务与基础设施建设政策,同时要尽早发布技术标准;价格补贴政策,保持补贴政策的稳定性、延续性,完善退坡机制,减小产业发展对补贴政策的依赖性,降低政策波动对产业发展的影响,推动中国氢燃料的电池汽车的产业化发展。

在市场化加速阶段,政府应侧重需求型政策工具,发布该技术领域政府采购政策,对于中国掌握的劳动密集型零部件制造可针对性应用对外承包政策,而关键零部件等核心技术需要进行贸易管制,摆脱对国外关键零部件的依赖,加强自主研发。最后要跟进公共服务政策,适时采用策略性措施和法规管制政策工具,尽快确定氢气的能源利用属性,研究制定氢安全管理法规,完善相关管理办法,指导产业健康持续发展。要发挥各种政策工具的作用,并将政策工具上升到国家层面。

（二）提升核心竞争力、培养技术人才

目前,中国在氢燃料电池PEMFC 技术领域面临研发团队少,研究成果影响小等问题。基于此,应根据中国在该领域的现实因素制定合适的氢燃料电池汽车技术路线图,加大资金投入,从高校、各科研院所组建国家级PEMFC 技术研究机构。还可通过国家专项、科技计划等渠道加大对氢燃料电池汽车技术研发和市场化的支持力度,结合路线图开展定向研究,此举壮大高层次人才队伍的同时,还突破质子交换膜燃料电池等核心关键技术,实现技术水平与总体国际同步、部分技术指标领先的格局。

（三）积极抢占技术产业的战略制高点

中国要想直追世界氢燃料电池汽车快速发展的潮流,“产学研”必须紧密合作。国家应将氢燃料电池汽车的发展作为全局性、战略性和方向性的目标,不需要将产销量作太具体规划。鉴于中国传统汽车数十年发展的经验与深刻教训,燃料电池汽车必须立足自主,即掌握关键核心技术与资源,产业链的最大价值要在国内生成和表现出来;同时,也要鼓励国内科研机构、企业积极进行相关的技术交流,寻求国际合作,建立互利互惠的双赢或多赢的战略联盟,协同攻关、资源共享、成果共享、风险共担。

提升中国氢燃料电池汽车核心技术的整体技术水平,应着重解决氢能基础设施规模化建设及运营中的问题,同时推动整车及关键零部件技术产业化,营造氢燃料电池汽车推广应用的良好环境,降低氢燃料电池汽车生命周期的总成本,为氢燃料电池汽车的商业化应用奠定基础。另外,在具备氢能和燃料电池汽车产业基础、有市场需求的地区开展试点示范,实现万辆级氢燃料电池汽车规模化示范运行。