高压气态储氢技术形势分析.pdf
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1、第 12 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.12 No.8Aug.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology高压气态储氢技术形势分析周树辉,王秀林,段品佳,张瑜,隋依言,卢璐(中海石油气电集团有限责任公司,北京 100028)摘要:在加速能源行业转型的背景下,氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点,氢能产业受到了国家的高度重视。氢气的稳定性极差,泄漏后易发生燃烧和爆炸,使得安全性低、储运难度大、成本高,从而对氢气的储运技术提出了更高的挑战。安全、经济、高效的储运氢已成为当前制约氢能规模应用的主要瓶颈之一。在诸多储运技术中,
2、高压气态储氢技术为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术。本文通过对2003年以来美国、中国、日本、韩国等126个国家/地区进行数据检索,抓取高压气态储氢技术相关领域共2276条专利进行分析,分析专利申请趋势、技术聚焦点、垄断性、持有者情况和市场布局等,研究技术创新热度、申请趋势、地域布局情况和企业现状等情况,为是否进入该技术领域、技术研究方向、专利布局点等提供支持。通过分析,高压气态储氢技术领域垄断性整体处于较低水平,热点技术主要集中在高压气态储氢容器、复合材料、铝合金等方向,未来还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定等方向发展。技术研发整体呈上升趋势,新进入企业数量逐年增多,但高水平技术专利较
3、少,加快技术申请进程,应尽快建立技术壁垒。中国在高压气态储氢领域的研发投入较大,未来国内市场竞争激烈。关键词:高压;氢气;储氢瓶;技术形势doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0139 中图分类号:TQ 03 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)08-2668-12Analysis of high-pressure gaseous hydrogen storage technologyZHOU Shuhui,WANG Xiulin,DUAN Pinjia,ZHANG Yu,SUI Yiyan,LU Lu(CNOOC GAS&Electricity G
4、roup Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)Abstract:The hydrogen sector has gained considerable attention in accelerating energy industry transformation owing to its zero pollution,high energy,rich resources,and versatile applications.However,the inherent instability and safety concerns of hydrogen,such as
5、its susceptibility to burn and explode after leakage,pose challenges to its storage and transportation and overall cost-effectiveness.Efficient,economical,and safe hydrogen storage and transportation have become one of the main bottlenecks of the large-scale application of hydrogen technology.Among
6、various storage and transportation technologies,high-pressure gaseous hydrogen storage technology is the most mature and widely used technology at present.By analyzing 2276 patents related to high-pressure gas hydrogen storage technology in 126 countries worldwide since 2003,we can know patent appli
7、cation 储能专利收稿日期:2023-03-15;修改稿日期:2023-05-05。基金项目:中国海洋石油集团有限公司科研项目(CNOOC-KX135KXXMQD2020-008)。第一作者及通讯联系人:周树辉(1983),女,硕士,高级工程师,主要从事天然气和氢能产业研究工作,E-mail:。引用本文:周树辉,王秀林,段品佳,等.高压气态储氢技术形势分析J.储能科学与技术,2023,12(8):2668-2679.Citation:ZHOU Shuhui,WANG Xiulin,DUAN Pinjia,et al.Analysis of high-pressure gaseous hyd
8、rogen storage technologyJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(8):2668-2679.第 8 期周树辉等:高压气态储氢技术形势分析trends,technological focus areas,monopolization tendencies,patent holders,market distribution,etc.This study aims to shed light on innovation heat,application trends,regional distribution,and t
9、he status of enterprises in the field,providing support for potential market entry,research directions,distribution points,etc.The analysis reveals that overall technological monopolies in this field are low.The technologies of considerable interest mainly revolved around high-pressure hydrogen stor
10、age containers,composite materials,aluminum alloys,etc.In the future,developing high-pressure gaseous hydrogen storage should focus on achieving lightweight,high-pressure solutions with low costs and stable quality.Although the number of new enterprises is increasing annually,the quantity of high-le
11、vel technology patents remains limited.Therefore,expediting the technology application process and establishing technical barriers at the earliest opportunity is crucial.China has made substantial research and development investments in high-pressure hydrogen storage is large,indicating that the fut
12、ure domestic market competition is fierce.Keywords:high pressure;hydrogen;hydrogen storage;technology2021年,“碳达峰”和“碳中和”在两会上作为中国的战略目标,首次被写入政府工作报告,彰显了中国坚持走低碳发展道路的决心。在加速能源行业转型的背景下,氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点,受到了国家的高度重视,并积极引导、支持其发展。中国氢能联盟预计 20202025 年间,中国氢能产业产值将达1万亿元,20262035年达到5万亿元。我国氢能已逐步建立起氢能制储运加用等重点环节较完
13、整的产业链1。但氢气的稳定性极差,泄漏后易发生燃烧和爆炸,使得储运难度大、成本高、安全性低,从而对氢气的储运技术提出了更高的挑战。高压气态储氢为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术2,体积比容量小。各储氢技术特点见表1。通过对2003年以来美国、中国、日本、韩国等126个国家/地区进行数据检索,抓取高压气态储氢技术相关领域共2276条专利,从申请数量、技术方向、专利持有人、市场布局等角度对高压气态储氢技术的发展形势进行了判断和预测,从而了解该行业的技术聚焦点、市场布局等,为下一步的研发方向及重点投入提供技术支持。1 技术趋势分析1.1技术申请趋势20032016年,专利申请及授权数量保持平表1储
14、氢技术优缺点对比情况Table 1Advantages and disadvantages of hydrogen storage technology技术类别物理储氢化学储氢吸附储氢高压气态储氢低温液态储氢有机液态储氢其余化学储氢金属合金储氢碳质材料储氢优势使用最广泛,且技术最成熟储氢密度高,在常温、常压下液氢的密度是气态氢的800倍以上存储密度较高,通过加氢、脱氢过程可实现有机液体的循环利用,成本相对较低液氨对环境无害,储存条件较为温和甲醇来源广泛,应用的经济性好;节能减排效果明显;常温常压即可存储,运输方便相同体积下,固态低压合金储氢装置有效储氢质量较高吸附能力较强,储氢质量密度较高,可
15、达6%12%;质量较轻,易脱氢劣势储氢量少,重容比较低;受压力和储氢瓶材料影响较大;存在泄漏、爆炸等安全隐患对转化技术、存储材料要求较高,成本较昂贵;国内技术不成熟,仅用于航天领域,尚未实现民用加氢、脱氢装置成本较高;脱氢效率低且氢气纯度不高;需燃少量有机化合物,非“零排放”极少量未分解液氨混入氢气中便会造成较大污染技术尚未完全成熟技术尚未完全成熟技术处于早期阶段,机理认识不完全;制备过程较复杂;成本较高26692023 年第 12 卷储能科学与技术稳,如图1所示,数量均小于100件,2017年申请数量激增,2020年达到峰值。说明研究逐渐受到各个企业或技术开发者的重视,正在积极进行技术布局。
16、经调查,2016年8月,国务院印发“十三五”国家科技创新规划,指出氢能是新一代引领产业变革的颠覆性能源技术。氢燃料电池汽车是氢能利用的重要产业之一,加氢站是为氢燃料电池汽车及其他氢能利用装置提供氢气的核心基础设施3。2016年制定的中国氢能产业基础设施路线图规划目标:到2020年,以能源形式利用的氢气产能规模将达到720亿m3;加氢站数量达到100座;燃料电池车辆达到100000辆;氢能轨道交通车辆达到50列;行业总产值达到3000亿元。到2030年,氢能产业将成为我国新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分,产业产值将突破10000亿元;加氢站数量达到1000座,燃料电池车辆保有量达到200
17、万辆4。中央和地方政府(广东省、上海市、苏州市等)相继出台了加氢站补助政策,国家能源集团、中石化及中石油等企业也纷纷布局氢能产业链,对高压气态储氢技术的发展起到了刺激作用。国家政策的出台,推动了氢能产业链蓬勃发展。由此可见,该技术周期处于成长期。技术授权占比整体趋势较为平稳,仅在2014年技术授权占比激增,随后迅速回落且呈逐年下降趋势,说明2014年前后可能出现重大技术突破。近年来出现技术瓶颈,技术壁垒逐年升高,对技术创新性提出了非常高的要求。1.2技术聚焦点1.2.1技术分支进一步聚焦发现,四大热点技术方向为“压力容器”“容器或容器装填排放的零部件”“液化、固化或压缩气体”和“成型复合材料”
18、。研究方向以最左侧一列技术为主,如图2所示,分别是“压力容器,如气瓶、气罐、可替换的筒”和“容器或容器装填排放的零部件”。这两大技术方向也是行业重点关注的技术领域;此外,在其他类似技术领域挖掘技术创新点进行突破,以达到降本增效的目的。将技术板块做成趋势图,如表2所示,近20年间,“压力容器,如气瓶、气罐、可替换的筒”和“容器或容器装填排放的零部件”两个技术方向的申请专利数量远远领先于其他技术,故高压气态储氢技术是目前主流的研发方向,前景广阔。1.2.2关键技术构成从最近5000条专利中提取语义关键词和主题词,做成旭日图,如图3所示,外层的关键词是内层关键词的进一步分解5。内层主流技术领域分别为
19、“高压氢”“压力容器”“储气瓶”“复合材料”“支撑结构”“压力传感器”等;对技术进行分解,得到外层细分技术领域分别为“高压容器”“高压气瓶”“密封结构”“碳纤维”“储氢瓶”等,既是当前研究最热门的方向,也是行业重点关注的技术领域。了解高压气态储氢领域内比较详细的技术聚焦点及细分领域,为知识产权布局工作提供参考。注:专利授权率表明申请的有效率以及最终获得授权的提交申请成功率。蓝色代表申请总量,绿色表示当前时间段申请专利的被授权量。如2012年专利申请在2014年获得授权,授予的专利将在2012年专利申请中以绿色显示。图1专利数量情况Fig.1Number of patents2670第 8 期周
20、树辉等:高压气态储氢技术形势分析通过创新词云可以了解高压气态储氢领域内最热门的技术主题词,提取了领域中最近5000条专利中最常见的关键词,分析最新重点研发的主题,可知,当前关键技术创新热点与旭日图保持一致。1.3技术垄断分析1.3.1技术集中度分析通过分析主要申请人持有专利的数量,判断近20年技术的竞争激烈程度和垄断性。如图4所示,技术整体的垄断性不高,且趋势较为平稳。2014年技术垄断性大幅升高至72.58%,创历史新高,随后大幅回落。在2014年发布了能源发展战略行动(20142020年)中,正式将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向6。众多企业积极投身发展氢能和燃料电池等技术的研发
21、应用,从而促使越来越多的企业或个人介入。1.3.2技术垄断区块分析领域地图中大格子代表一类技术的研究总数,较小的灰色格子代表一定数量的技术研发量。不同图2技术聚焦区块图Fig.2Technical focus block diagram表2技术申请趋势Table 2Technology application trend申请年20032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022F17C13428182281018282616186494963104827F17C1320194177320
22、8128953466597914F17C5203733463133241971222280F17C110201521212001602807790B29C704200024365014165111162F17D1001001101180022386230C25B1161000017000951400310G01M30100040000101022111592B01D53021510020200910641400F17D300103000005000227621026712023 年第 12 卷储能科学与技术颜色的格子代表不同公司,每个格子代表相同数量的专利。提取储氢领域内最新的5000条专利,
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