基于专利分析的小型站内天然气制氢技术发展态势研究

王秀林，隋依言，侯建国，郑 珩，张雨晴，张新波，宋鹏飞，张 瑜

（1.中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 100028；2.西南化工研究设计院有限公司 工业排放气综合利用国家重点实验室，四川 成都 610225）

近年来，随着碳减排压力不断增大及双碳目标的提出，氢能作为一种绿色、低碳的清洁能源越来越被大家认可和重视，而交通领域是氢能应用领域的重点[1-4]。截止2022 年底，全球累计建设加氢站814 座，据统计，在世界范围内已建设的加氢站中，约15%的加氢站采用站内制氢的方式[5-7]。站内制氢方式可以节省氢气的储运环节及中间成本[4-10]，使氢气终端价格降低15%～20%。站内制氢技术主要包括天然气制氢、电解水制氢和甲醇制氢等[7-9]。

加氢站进行小型站内天然气制氢可应用目前成熟的天然气输配网络，能够很好地解决现阶段氢气储运成本较高的问题[10-17]，鉴于此，在没有开发出更高效经济的氢气储运技术之前，在加氢站内进行天然气制氢将是现阶段最经济的制氢方式之一[10]。同时，由于加氢站通常建设在城市周边，因用地限制和安全要求，也对站内天然气制氢技术提出了更高的要求和挑战[18-24]。将传统的天然气制氢技术进行简单的小型化无法满足站内制氢的实际要求，需要从工艺系统优化、催化剂研发和系统集成设计等方面进行系统研究。

鉴于此，本文通过研究小型站内天然气制氢技术相关专利，分析重点企业的研究状况及技术路线，解读重点专利，阐述小型站内天然气制氢存在的问题和未来发展方向，研究成果可有效指导我国小型站内天然气制氢技术研究方向，为我国氢能产业发展贡献技术力量。

1 技术趋势分析

1.1 专利申请趋势

对Patsnap数据库中1970年以来美国、欧洲、日本、韩国和中国等126 个国家或地区的专利进行了检索和筛查，选择1265 条相关专利进行了重点分析，研究了小型站内天然气制氢技术及产业发展重点和未来发展趋势。

小型站内天然气制氢专利申请趋势和技术生命周期曲线分别如图1和图2所示。

图1 专利申请趋势Fig.1 Trend of patent application

图2 技术生命周期曲线Fig.2 Technology life cycle curves

从技术可持续发展性和技术开发量角度分析，小型站内天然气制氢技术的专利申请数量在2005 年最多，这个阶段以液态空气乔治斯克劳帝方法研究开发股份有限公司为代表，研究重点在于小型站内天然气制氢的氢气提纯、净化的技术领域。从技术开发生命周期角度分析，技术研发周期曲线呈现盘旋状态，现阶段技术研发仍处于萌芽期阶段，各研究单位仍在探究更优的解决方案。

1.2 关键技术构成

从近30 年的5000 条专利中提取语义关键词绘制了小型站内天然气制氢技术的创新词云图和旭日图，分别如图3和图4所示。

图3 小型站内天然气制氢技术创新词云图Fig.3 Creative words cloud map of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

图4 小型站内天然气制氢技术旭日图Fig.4 Sunburst chart of small-scale on-site hydrogen production technology from natural gas

小型站内天然气制氢技术的关键开发方向是蒸汽重整工艺，其次是反应器等设备研发和催化剂研究，说明国内外商业化主流的小型站内天然气制氢技术工艺路线主要为“天然气蒸气重整+一氧化碳变换+变压吸附提纯”。现阶段小型站内天然气制氢技术还存在系统占地大、转化炉高度影响加氢站周边环境、副产水蒸气无使用场景、蒸气系统控制复杂和整套系统启动时间长等问题，因此，解决上述问题是小型站内天然气制氢技术的研究重点。所谓小型站内天然气制氢技术并不简单是成熟的大型天然气制氢的小型化，需要在工艺流程设计、新型天然气重整反应器设计、催化剂升级、系统3D设计和能量循环系统优化设计等方面进行创新研发，具有很大的技术挑战性。

2 申请人分析

2.1 申请人排名

近30 年小型站内天然气制氢技术主要申请人专利申请数量及主要申请人专利申请趋势分别如图5 和图6 所示，该领域全球技术开发量排名前10的主要的技术研发公司，全为国外企业。

图5 主要申请人近30年专利申请数量Fig.5 Amounts of patent application by major applicants in recent 30 years

图6 主要申请人近30年专利申请趋势Fig.6 Trends of patent application by major applicants in recent 30 years

国外企业在该领域占据先发优势，研发的时间较早，也说明我国在小型站内天然气制氢的技术研发的专利总量上还有差距。

2.2 主要申请人地域分布

申请人的地域分布如图7 所示，目前主要申请人重点在美国、欧洲和日本进行相关专利布局。

图7 申请人地域分布Fig.7 Geographical distribution of patent applicants

同时如法国液化空气集团等龙头企业也在我国进行了技术布局，但数量不多。这和我国小型站内天然气制氢技术工业化还未成熟有一定关联，但同时也说明我国本土市场的发展潜力巨大。

2.3 申请人技术专利集中度分析

使用最新的5000 条专利绘制小型站内天然气制氢技术的领域地图如图8 所示，对应格子数量为每家企业的专利覆盖率，每个格子代表的专利数量相同。由图8 可知，小型站内天然气制氢是主流的技术手段，其次催化剂研发、合成气分离提纯和反应器优化也都是主流研发方向。但没有任何企业将技术领域地图的格子全部占满，即没有任何企业在某个技术点上实现完全的垄断，因此这对于企业技术研发是一个机会，说明小型站内天然气制氢技术没有被某一家企业所垄断。

图8 技术领域地图Fig.8 Technology domain map

技术专利集中度分析如图9 所示，近几年技术专利集中程度较高，基本维持在80%左右，代表着参与研发的主体以大型企业和高校为主，中小型企业参与程度不高，导致技术保有量主要集中在少数企业和高校手中。

图9 技术专利集中度分析Fig.9 Patent concentration analysis

从技术研发方向和态势分析，小型站内天然气制氢技术研发主要集中在工艺优化上，其次是对催化剂和核心反应器的优化，说明天然气制氢装置的小型化、橇块化需要对天然气制氢成套技术的工艺流程、催化剂配方、转化炉和控制系统进行系统设计，并有针对性的对各个技术难点进行优化与改进。

3 专利申请地域布局及趋势分析

3.1 专利申请地域布局分析

小型站内天然气制氢技术的技术来源地域分布和技术应用地域分布分别如图10 和图11 所示（百分数为专利申请占比，括号内数据为专利数量），其不仅能够表示该技术在不同国家和地区的发展程度，也能够反映出该技术商业化应用的市场分布。由图10 和图11 可知，小型站内天然气制氢技术的技术来源排名由多到少是：美国、日本、法国和中国；技术应用排名由多到少是：日本、美国、世界知识产权组织和中国。

图10 技术来源地域分布Fig.10 Distribution of technology source areas

图11 技术应用地域分布Fig.11 Distribution of technology application areas

在技术的来源上，美国排名第一；在技术的应用上，日本排名第一；中国在技术来源上占比为7.89%，在技术的应用上占比为10.93%，说明我国的应用技术有很大一部分是其他国家开发的，或我国引进了大量国外技术。

3.2 专利申请地域趋势分析

技术来源趋势和技术应用趋势分别如图12 和图13所示，小型站内天然气制氢技术专利数量显示出逐渐递增的趋势，并且一直很活跃。主要技术来源及技术应用的发展趋势基本一致，说明大部分技术研发国也是技术应用国。而我国的技术研发数量低于技术应用数量，说明我国没有足够的技术开发，但我国市场对相关技术的需求多，有部分海外企业在我国进行了技术布局，说明我国未来也是小型站内天然气制氢技术的重要市场。

图12 技术来源趋势Fig.12 Technology source trend

图13 技术应用趋势Fig.13 Technology application trend

3.3 典型地区专利流向分析

小型站内天然气制氢技术在中国、美国、欧洲、日本和韩国5个典型地区的技术来源情况和市场布局情况如图14所示。

图14 中国、美国、欧洲、日本和韩国的市场布局Fig.14 Market layout of China,the United States,Europe,Japan and South Korea

图15 中国各省市专利申请分布Fig.15 Distribution of patent applications in various provinces and cities in China

整体上看，美国和日本在技术数量上占据绝对的领先地位，而5 个地区均有技术布局在美国和日本两地。相比而言，我国的海外布局基本未见，只有美国和日本在我国均进行了少量技术布局。

3.4 中国各省市小型站内天然气制氢技术专利市场布局

我国各省市小型站内天然气制氢技术专利申请分布及申请趋势分布情况分别如图16和图17所示，专利申请主要集中在广东、北京、辽宁、河南、上海和四川，而小型站内天然气制氢技术研发高潮兴起于2006年。

图16 中国各省市专利申请趋势Fig.16 Trends of patent application in various provinces and cities in China

图17 功效矩阵图Fig.17 Efficiency matrix diagram

4 重点技术发展趋势分析

4.1 功效矩阵分析

小型站内天然气制氢技术功效矩阵图如图17所示。由图17 可知，氢气提纯方面的技术专利较多，其次是制氢系统热量平衡设计和提高制氢反应效率，而在降低成本方面的专利相对较少。

4.2 发展趋势分析

近5 年和近10 年的小型站内天然气制氢技术创新词云图如图18 和图19 所示，分析小型站内天然气制氢的技术发展趋势，可知在近10年的研究发展中，天然气蒸汽重整技术一直是小型站内天然气制氢技术的主要工艺。由于重整反应需要在高温高压下进行，催化剂的稳定性、反应器的耐压性等方面相比于成熟的大型天然气制氢技术需要得到进一步的提升。此外，针对于燃料电池车加注用氢气还需要解决氢气的分离、纯化等问题，并确保制氢效率和安全性。近10 年相关主要研究热点未发生明显变化，说明该技术领域的难点仍未被攻克，一直是小型站内天然气制氢技术研究领域的主要发力点，而在小型站内天然气制氢设备和材料研究方面，重整反应器则一直是最热门的研究领域。

图18 近5年技术创新词云图Fig.18 Cloud map of technological innovation words in recent 5 years

图19 近10年技术创新词云图Fig.19 Cloud map of technological innovation words in recent 10 years

5 结论及建议

通过检索分析近30 年国内外小型站内天然气制氢技术专利现状，从技术构成及发展趋势、申请人及专利区域布局等方面研究了该技术国内外研究现状和应用情况，并通过分析重点专利技术功效阐述了该技术未来发展方向，得出以下主要结论。

（1）现阶段小型站内天然气制氢技术研究重点在于工艺流程、重整反应器、催化剂、系统集成与控制、纯化和热量平衡设计等方面进行创新研发，具有很大的技术挑战性。

（2）我国对于小型站内天然气制氢技术的技术需求量较高且本土市场体量较大，但从技术研发的角度，美国和日本在该技术领域仍处于龙头地位。

（3）在小型站内天然气制氢商业化的技术路线上，我国企业的技术研发总量仍相对落后，当前技术研发主体主要为体量较大的大型企业或者高校，中小型企业参与度低，技术专利集中度水平较高。但近年来随着参与该技术领域研发的中国企业不断增多，相关成果也将不断快速落地。

与欧美、日本等地区相比，我国在小型站内天然气制氢技术领域还存在难点和挑战。但同时，随着我国氢能产业特别是交通领域氢能产业的快速发展，氢气需求量将会显著增加。站内天然气制氢技术相比于其他站内制氢技术生产效率较高，且生产过程和设备相对简单，在中短期内具有成本优势的同时也使加油加气站改扩建加氢站更加便捷，具有广阔发展前景。随着小型站内天然气制氢技术的不断成熟和工程化应用以及其他站内制氢技术及成本的升级和优化，各种技术之间根据不同应用场景将会相互竞争和合作，可为氢气产业带来更多的创新和发展机遇，并有效助力我国氢能产业的快速发展。