基于專(zhuān)利分析的氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

張小帆 張春鵬 潘子康

（廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣州510665）

主題詞：新能源 氫發(fā)動(dòng)機(jī) 專(zhuān)利信息

1 前言

我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年持續(xù)努力，技術(shù)水平顯著提升，產(chǎn)業(yè)體系日趨完善，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大幅增強(qiáng)，從年銷(xiāo)量不足萬(wàn)輛到突破百萬(wàn)輛，中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展[1]。發(fā)展新能源汽車(chē)是全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)綠色發(fā)展的必由之路，也是新時(shí)代中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。因此，國(guó)家先后出臺(tái)了全方位的激勵(lì)政策（如：降低汽車(chē)企業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻，延長(zhǎng)補(bǔ)貼政策期限）[2-3]。氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)中的一員，是指以氫發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，符合道路交通安全法規(guī)的汽車(chē)，其具有無(wú)污染，零排放，氫儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)[4]。

氫發(fā)動(dòng)機(jī)有2個(gè)主要的技術(shù)方向：純氫發(fā)動(dòng)機(jī)與摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前2種類(lèi)型的氫發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的主要技術(shù)都在于氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸以及由于氫氣不同于其他燃料的性質(zhì)而造成的在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)不正常的燃燒現(xiàn)象。近幾年，國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者在圍繞純氫發(fā)動(dòng)機(jī)與摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)2種技術(shù)在各個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究，均取得了階段性的進(jìn)展。對(duì)于純氫發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然可以通過(guò)延遲點(diǎn)火正時(shí)來(lái)效緩解與控制回火等不正常燃燒現(xiàn)象，但是由于純氫發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)有著很高的要求，在氫氣加油站較少的階段，純氫發(fā)動(dòng)機(jī)難以得到推廣。對(duì)于摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)，由于主要是將氫氣與其它燃料摻混使用，氫氣消耗量減少導(dǎo)致儲(chǔ)氫難度降低，并且可以通過(guò)改變氫氣比例來(lái)解決與改善各種問(wèn)題，因此相對(duì)于純氫發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)更為實(shí)用。目前，主要有天然氣摻氫，汽油摻氫，醇類(lèi)摻氫，天然氣摻氫[4-5]。純氫發(fā)動(dòng)機(jī)與摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有本質(zhì)上的優(yōu)劣之分，并且氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在國(guó)際上內(nèi)仍然處于起步階段，因此2者是在進(jìn)行專(zhuān)利檢索與描述發(fā)展趨勢(shì)時(shí)的主要部分。

專(zhuān)利作為科研創(chuàng)新成果最主要的表現(xiàn)形式之一，包含著豐富的技術(shù)信息、市場(chǎng)信息和法律信息。通過(guò)對(duì)專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行全面地分析，可以揭示相關(guān)產(chǎn)業(yè)或企業(yè)的技術(shù)研發(fā)實(shí)力、研發(fā)方向、研發(fā)重點(diǎn)、市場(chǎng)發(fā)展策略以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)和能力方面的重要信息[6]。以國(guó)內(nèi)外氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利信息為切入點(diǎn)，從專(zhuān)利總體數(shù)量、專(zhuān)利申請(qǐng)年度趨勢(shì)、技術(shù)發(fā)布對(duì)比分析等角度，聚焦國(guó)內(nèi)外氫發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和趨勢(shì)，對(duì)比分析我國(guó)與國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平上的差異[7]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與檢索方法

本文確定的研究對(duì)象為氫發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)技術(shù)，根據(jù)技術(shù)性質(zhì)確定了大分類(lèi)號(hào)為B60（一般車(chē)輛）系列。在專(zhuān)利數(shù)據(jù)的收集過(guò)程中采用國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)IPC的方法進(jìn)行索引[6]。

以Incopat專(zhuān)利檢索系統(tǒng)作為平臺(tái)進(jìn)行專(zhuān)利檢索，Incopat完整收錄了全球102個(gè)國(guó)家、組織、地區(qū)1億多件基本專(zhuān)利數(shù)據(jù)，對(duì)22個(gè)主要國(guó)家的專(zhuān)利數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊收錄和加工處理，數(shù)據(jù)字段比較完美，數(shù)據(jù)可靠性較高，為分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性提供了保障。

檢索專(zhuān)利的類(lèi)型包括發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利、發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利、實(shí)用新型專(zhuān)利、外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利。專(zhuān)利檢索的時(shí)間區(qū)間為2000～2020年。

氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的基本構(gòu)成：氫發(fā)動(dòng)機(jī)（純氫發(fā)動(dòng)機(jī)、摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)、氫氣噴射、儲(chǔ)氫裝置、氫氣供給系統(tǒng)）；氫發(fā)動(dòng)機(jī)電、熱控制管理；氫發(fā)動(dòng)機(jī)安全管理以及其他配套設(shè)施[4,6,8]，涉及到的專(zhuān)利檢索字段如表1所示。

表1 專(zhuān)利檢索字段

通過(guò)多次檢驗(yàn)最終確定的檢索式為:(ALL=(TIAB=(新能源汽車(chē)OR儲(chǔ)氫材料OR氫氣供給系統(tǒng)OR氫氣噴射裝置OR“new energy vehicles”O(jiān)R“hydrogen storage material”O(jiān)R“hydrogen supply system”O(jiān)R“hydrogen nozzle”O(jiān)R PEV OR HEV OR FCEV）or（氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)OR“Hydrogen engine”))ORDES=(TIAB=(新能源汽車(chē)OR儲(chǔ)氫材料OR氫氣供給系統(tǒng)OR氫氣噴射裝置OR“new energy vehicles”O(jiān)R“hydrogen storage material”O(jiān)R“hydrogen supply system”O(jiān)R“hydrogen nozzle”O(jiān)RPEV OR HEV OR FCEV）or（氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)OR“Hydrogen engine”)))。對(duì)專(zhuān)利主分類(lèi)號(hào)、專(zhuān)利名稱(chēng)以及專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)與篩選。

3 國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利分析

3.1 專(zhuān)利總體數(shù)量分析

檢索顯示國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)，共有22 000件相關(guān)專(zhuān)利，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1所示。其中，發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利是指通過(guò)了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的審查后，認(rèn)為其技術(shù)符合專(zhuān)利的授權(quán)要求，給予的具有法律效力的授權(quán)證書(shū)。發(fā)明授權(quán)類(lèi)型的專(zhuān)利，中國(guó)有2 180件；美國(guó)有2 537件；日本有1 072件。

圖1 國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利總體數(shù)量

3.2 專(zhuān)利申請(qǐng)年度趨勢(shì)分析

全球范圍內(nèi)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖1所示，通過(guò)申請(qǐng)趨勢(shì)可以看出全球不同年度的申請(qǐng)熱度。由圖1可看出，從2000年開(kāi)始，氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量開(kāi)始在大體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在2018年和2019年里，全球?qū)錃獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利的申請(qǐng)數(shù)有所下降。而導(dǎo)致2018年和2019年專(zhuān)利數(shù)量下降的原因主要是專(zhuān)利公開(kāi)存在滯后性。

3.3 中、美、日氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利發(fā)展對(duì)比分析

綜合各國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利的總體數(shù)量，將中國(guó)、美國(guó)以及日本作為主要分析對(duì)象進(jìn)行氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利發(fā)展對(duì)比分析，分別進(jìn)行發(fā)明授權(quán)情況對(duì)比分析、技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域分析以及國(guó)際申請(qǐng)人排名分析。

（1）發(fā)明授權(quán)情況對(duì)比分析

專(zhuān)利類(lèi)型包括發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利、發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利、實(shí)用新型專(zhuān)利以及外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利。其中，發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利是指通過(guò)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的審查后，認(rèn)為其技術(shù)符合專(zhuān)利的授權(quán)要求，給予的具有法律效力的授權(quán)證書(shū)。通過(guò)對(duì)比中、美、日3國(guó)的發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利的公開(kāi)趨勢(shì)，更能反映中、美、日3國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況，從而進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)

從中國(guó)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利公開(kāi)趨勢(shì)（圖2）可以看出中國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的研究起步較晚、較薄弱，但發(fā)展很快。結(jié)合公開(kāi)趨勢(shì)圖與中國(guó)近幾年氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在2004年前在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)極少，但在2005～2007年間，中國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)方面的研究得到飛速發(fā)展，專(zhuān)利數(shù)量迅速增加，并在之后一直呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)這些年不斷的探索，國(guó)內(nèi)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面取得了進(jìn)步，為我國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

美國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的研究起步較早，從美國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利發(fā)明授權(quán)公開(kāi)趨勢(shì)（圖3）可以看出美國(guó)在2000年就有專(zhuān)利數(shù)量基礎(chǔ)，在2003～2007年間，美國(guó)的氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展。2007年福特氫燃料V-10發(fā)動(dòng)機(jī)正式投產(chǎn)，福特汽車(chē)公司成為世界首個(gè)正式生產(chǎn)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)制造商。除了發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)廠商之外，很多美國(guó)高校也開(kāi)展了對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的探究，它們的研究涉及到進(jìn)氣道噴射氫發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放以及氫發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃回火等異常燃燒問(wèn)題。專(zhuān)利數(shù)量迅速增加，并在之后一直呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭。

日本在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的研究起步非常的早，早在1970年日本武藏大學(xué)就經(jīng)開(kāi)始了對(duì)缸內(nèi)直噴的氫燃料內(nèi)燃機(jī)展開(kāi)了研究。從日本氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利發(fā)明授權(quán)公開(kāi)趨勢(shì)（圖4）可以看出，從2000年開(kāi)始日本的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的專(zhuān)利數(shù)量就呈現(xiàn)出良好且穩(wěn)定的發(fā)展趨勢(shì)。

中、美、日3國(guó)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利公開(kāi)趨勢(shì)圖如圖3、圖4、圖5。

圖3 中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利公開(kāi)趨勢(shì)

圖4 美國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利公開(kāi)趨勢(shì)

圖5 日本氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利公開(kāi)趨勢(shì)

（2）技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域分析

在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量前10的國(guó)家中，以中、美、日3國(guó)為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)中、美、日3國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域的分析，可以反映當(dāng)前氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展方向，也可以通過(guò)對(duì)比看出各國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向以及側(cè)重點(diǎn)。申請(qǐng)專(zhuān)利的IPC分類(lèi)號(hào)（小類(lèi)）主要集中在：B60W（不同類(lèi)型或不同功能的車(chē)輛子系統(tǒng)的聯(lián)合控制；專(zhuān)門(mén)適用于混合動(dòng)力車(chē)輛的控制系統(tǒng)；不與某一特定子系統(tǒng)的控制相關(guān)聯(lián)的道路車(chē)輛駕駛控制系統(tǒng)）、B60K（車(chē)輛動(dòng)力裝置或傳動(dòng)裝置的布置或安裝；2個(gè)以上不同的原動(dòng)機(jī)的布置或安裝；輔助驅(qū)動(dòng)裝置；車(chē)輛用儀表或儀表板；與車(chē)輛動(dòng)力裝置的冷卻、進(jìn)氣、排氣或燃料供給結(jié)合的布置）、B60L（電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力裝置）。在B60K技術(shù)領(lǐng)域方面，中、美、日3國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量相對(duì)持平并遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家；在B60L技術(shù)領(lǐng)域方面，日本的專(zhuān)利申請(qǐng)量稍微領(lǐng)先于中、美2國(guó)；在B60W技術(shù)領(lǐng)域方面，美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量稍微領(lǐng)先于中、日2國(guó)；在F02D（燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的控制）技術(shù)領(lǐng)域方面，日本占據(jù)了較大的優(yōu)勢(shì)，而中國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域比較薄弱（如圖6）。

圖6 中、美、日氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究熱點(diǎn)

（3）申請(qǐng)人排名分析

考慮到同一公司的不同書(shū)寫(xiě)形式以及相關(guān)子公司的從屬情況，對(duì)檢索得到的專(zhuān)利數(shù)據(jù)進(jìn)行申請(qǐng)人排名，通過(guò)對(duì)比申請(qǐng)人的專(zhuān)利數(shù)從而進(jìn)一步分析氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)在各國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)狀況。

從圖6中可看出排名前3的申請(qǐng)人分別是HYUNDAIMOTORCOMPANY，F(xiàn)ORDGLOBAL TECHNOLOGIESLLC及TOYOTA MOTORCORP。

從申請(qǐng)人的角度來(lái)看，中國(guó)在氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展較為落后，在全球排名前10的公司中，中國(guó)的重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司以及奇瑞汽車(chē)股份有限公司分別排在了第9和第10。

圖7 國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利前10申請(qǐng)人

HYUNDAI MOTOR COMPANY在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)數(shù)量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位（圖6）。圖7為HYUNDAI MOTOR COMPANY在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)分布，申請(qǐng)技術(shù)領(lǐng)域前5位依次是B60W、B60K、F16H（轉(zhuǎn)動(dòng)裝置）、B60L（電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力裝置）、F02D（燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的控制）。

圖8 HYUNDAI MOTOR COMPANY氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)構(gòu)成

3.4 結(jié)合專(zhuān)利分析總結(jié)氫發(fā)動(dòng)機(jī)目前研究熱點(diǎn)

面對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所面臨的問(wèn)題，結(jié)合專(zhuān)利分析所得技術(shù)熱點(diǎn)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究將圍繞以下3個(gè)方面進(jìn)行：

（1）采取缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)，探討高壓噴射系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)與燃燒室之間的優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)氫和空氣的高效混合。針對(duì)氫燃料的特性，對(duì)一些特殊部件采用特殊材料，不斷改進(jìn)燃料噴射系統(tǒng)。

（2）加大對(duì)先進(jìn)電控系統(tǒng)的研究,實(shí)現(xiàn)氫發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的優(yōu)化。電控技術(shù)與分層燃燒、稀薄混合氣燃燒、快速燃燒等技術(shù)相結(jié)合可以?xún)?yōu)化控制氫發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)、噴氫正時(shí)和噴氫量,以消除異常燃燒，有效降低NOx排放，提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)的功率并改善其燃燒效率。

（3）發(fā)展氫發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的優(yōu)化控制技術(shù)，不斷提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率，降低NOx的排放。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)中的主次，采用優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如噴氫正時(shí)、噴氫量、點(diǎn)火正時(shí)、壓縮比等實(shí)施優(yōu)化控制，在不發(fā)生異常燃燒的情況下使一種或幾種性能達(dá)到優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下工作在最佳狀態(tài)，達(dá)到高效、低NOx排放和各方面均優(yōu)越的性能。這個(gè)領(lǐng)域的研究將是未來(lái)的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

4 我國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利與國(guó)家政策分析

4.1 專(zhuān)利總體數(shù)量分析

（1）國(guó)內(nèi)專(zhuān)利區(qū)域分布

為了分析我國(guó)不同地區(qū)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)方面的差異，對(duì)國(guó)內(nèi)不同省份的專(zhuān)利數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)分。其中，僅有安徽的申請(qǐng)量超過(guò)100，處于第1梯隊(duì)；江蘇、廣東、北京、浙江申請(qǐng)量大于60，處于第2梯隊(duì)；上海、河南、湖北、福建、四川申請(qǐng)量大于等于20，處于第3梯隊(duì)；其余地區(qū)申請(qǐng)量在20以下，處于第4梯隊(duì)。圖9展示了國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量前十的省份。

圖9 國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量前十省份

（2）專(zhuān)利類(lèi)型分布分析

根據(jù)專(zhuān)利的類(lèi)型特征進(jìn)行分類(lèi)，得到發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利4 563項(xiàng)，占比51%；發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利2 181項(xiàng)，占比24%；實(shí)用新型專(zhuān)利1 959項(xiàng)，占比22%；外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利283項(xiàng)，占比3%。由此可見(jiàn)發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利比重很大，中國(guó)在國(guó)際氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展中具備一定的核心競(jìng)爭(zhēng)力。但是，也可以看出發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利占比很低，這不僅受限于當(dāng)前氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)都仍然處于起步階段，而且受限于我國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的相關(guān)政策。雖然，國(guó)家大力發(fā)展新能源汽車(chē)，但是由于氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不成熟以及我國(guó)當(dāng)前的社會(huì)情況，即使有汽車(chē)企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)，由于國(guó)家政策的原因也不被允許上路。

（3）申請(qǐng)人類(lèi)別分析

在對(duì)中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)專(zhuān)利檢索中得到，企業(yè)專(zhuān)利占比66.8%，大專(zhuān)院校和科研機(jī)構(gòu)類(lèi)專(zhuān)利占比12.7%，個(gè)人申請(qǐng)者的專(zhuān)利占比20.5%。這表明在氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面，個(gè)人申請(qǐng)者的數(shù)量比例相對(duì)來(lái)說(shuō)比較偏低，主要原因在于氫發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)以及資金方面的門(mén)檻較高。因此，在整個(gè)氫發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的過(guò)程中，企業(yè)是刺激技術(shù)創(chuàng)新的中堅(jiān)力量。圖10為檢索所得到的中國(guó)申請(qǐng)人類(lèi)型構(gòu)成。

圖10 中國(guó)申請(qǐng)人類(lèi)型構(gòu)成

4.2 氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展與國(guó)家政策分析

我國(guó)氫燃料汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)關(guān)鍵階段：

（1）2006年2月9日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2010年)》[9]，正式將“低能耗與新能源汽車(chē)”和“氫能及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)，為氫燃料汽車(chē)的進(jìn)一步研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）2015年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》通知[10]。隨即，工信部在當(dāng)月披露了《中國(guó)制造2025》中節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的10年戰(zhàn)略目標(biāo)。提出“節(jié)能與新能源汽車(chē)”作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，并為其發(fā)展指明了方向，分別為關(guān)鍵材料、零部件逐漸國(guó)產(chǎn)化；整車(chē)性能逐步提升；運(yùn)行規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，到2025年，制氫、加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施基本完善。

（3）2016年5月19日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[11]，重點(diǎn)提到要“開(kāi)發(fā)氫能等新一代能源技術(shù)”。2016年11月29日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[12]，對(duì)氫燃料汽車(chē)的發(fā)展寄予更高期望，與“十二五”規(guī)劃相比，新規(guī)劃重點(diǎn)提到：推動(dòng)車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及氫制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)加氫站建設(shè)。

2020年10月20 日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》[13]。自2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布實(shí)施《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》[14]以來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，成為引領(lǐng)世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，汽車(chē)與能源、交通、信息通信等領(lǐng)域加速融合，推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品形態(tài)、交通出行模式、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和社會(huì)運(yùn)行方式發(fā)生深刻變革，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。但和其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)一樣，新能源汽車(chē)的發(fā)展歷程從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的，仍然存在著關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、服務(wù)模式有待創(chuàng)新完善、產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚不健全等突出問(wèn)題。在這種環(huán)境下，《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》的發(fā)布不僅對(duì)我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)制定了發(fā)展路線，也為我國(guó)各個(gè)省份以及汽車(chē)企業(yè)等提供了更多指導(dǎo)。對(duì)于氫能而言，在國(guó)家政策的支持下，各個(gè)省份都加快了對(duì)于氫能建設(shè)的腳步。2020年1月20日，浙江嘉興發(fā)布了《加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工作建議》[15]，將在2022年建成液氫等氫氣源生產(chǎn)企業(yè)2家以上和固定式加氫站8座以上；2020年9月30日，廣東發(fā)布了《培育新能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃》[16]，計(jì)劃到2025年，建成加氫站約300座，基本建成適應(yīng)珠三角需求，輻射周邊的充電、加氫設(shè)施體系。四川、山東、上海、天津等省份也都在國(guó)家政策的指導(dǎo)下，先后發(fā)布了未來(lái)幾年關(guān)于對(duì)氫能建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃。

根據(jù)檢索到的氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)、公開(kāi)時(shí)間信息，可以發(fā)現(xiàn)氫發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利是從2000年開(kāi)始逐步申請(qǐng)，至2007年專(zhuān)利穩(wěn)步上升，之后一段時(shí)間經(jīng)歷了快速的申請(qǐng)高峰期，每年申請(qǐng)量不斷增加。基本的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)家的新能源汽車(chē)政策出臺(tái)時(shí)間相協(xié)調(diào)(圖3、圖12)，因此政策在推動(dòng)新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展方面具有重要作用。

圖11 中國(guó)發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)

5 結(jié)論與建議

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行氫發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究項(xiàng)目都僅限于氫-汽油，氫-柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的初步研究，純氫發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究比較少。這一階段的研究主要集中在燃燒機(jī)理的研究和對(duì)燃燒規(guī)律的認(rèn)識(shí)，一般燃燒過(guò)程采用化油器或進(jìn)氣管?chē)娚涞念A(yù)混式外部混合氣形成方式，發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒和提高功率以及降低氮氧化物的矛盾始終困擾著研究的進(jìn)展。上個(gè)世紀(jì)90年代末期，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)逐步實(shí)用化，具有優(yōu)化控制特征的燃料直接噴入燃燒室內(nèi)的內(nèi)部混合氣形成方式的研究逐步受到重視，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒和提高功率以及降低氮氧化物矛盾提供了新的思路和方法。但是系統(tǒng)地研究純氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制模型、優(yōu)化控制規(guī)律和電控技術(shù)仍然有待深入進(jìn)行。

除了上述方法和技術(shù)可以解決氫發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所面臨的問(wèn)題以外，還可以采用增壓、中冷、EGR等技術(shù)來(lái)解決異常燃燒與提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)功率的矛盾。對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒機(jī)理的研究和對(duì)燃燒規(guī)律的認(rèn)識(shí),將從根本上解決氫發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率和異常燃燒、NOx排放的矛盾。而氫發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化控制技術(shù)是解決提高功率、改善燃燒效率與降低NOx,并能保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒之間矛盾的最有效手段,是今后研究的熱點(diǎn)之一。

目前，氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)離產(chǎn)業(yè)化還有一段很長(zhǎng)的距離。制約氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素除了本身的技術(shù)難度的限制以外，就是氫氣不同于汽油、柴油等其他燃料的性質(zhì)，主要表現(xiàn)在：氫發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)有著極大的要求，儲(chǔ)氫量的不足造成續(xù)駛里程不夠長(zhǎng)；氫氣在氣缸內(nèi)的不正常燃燒現(xiàn)象;使用壽命短，成本高。加氫站的建設(shè)難度極大，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)也不容易，對(duì)于中、美來(lái)說(shuō)在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)加氫站是不太現(xiàn)實(shí)的，反而是面積小，城市高度發(fā)達(dá)的國(guó)家比較利于建設(shè)加氫站，這也是為何只有日本和韓國(guó)的車(chē)企熱衷于氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的研發(fā)。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)利分析以及對(duì)比分析可以看出來(lái)，我國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且與國(guó)際相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)大致相同。我國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)僅處于初級(jí)階段，在大規(guī)模制氫、氫氣供應(yīng)、增壓技術(shù)、減排技術(shù)、管控方略、綜合電子管理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)的重要技術(shù)項(xiàng)目上還有所欠缺。

我國(guó)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的掌握與產(chǎn)業(yè)的運(yùn)營(yíng)上，與國(guó)際水平存在一定的差距，比如我國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域仍然沒(méi)有出現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，各個(gè)汽車(chē)企業(yè)的實(shí)力差距并不大，其中民營(yíng)汽車(chē)企業(yè)（如：奇瑞）在氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)的國(guó)有大型汽車(chē)企業(yè)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與其資本實(shí)力并不協(xié)調(diào)。其中一部分原因是由于國(guó)家政策的不支持，而在美國(guó)以及韓國(guó)等國(guó)家，在國(guó)家政策的支持下，氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)已經(jīng)可以上路。因此，可以看到一些在氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域有較大優(yōu)勢(shì)的國(guó)家如韓國(guó)，韓國(guó)雖然在專(zhuān)利的總體數(shù)量上并不占優(yōu)，但是可以看到韓國(guó)的專(zhuān)利絕大部分都集中在現(xiàn)代汽車(chē)的手中。就單個(gè)企業(yè)的技術(shù)實(shí)力而言，現(xiàn)代汽車(chē)在氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)領(lǐng)域有著強(qiáng)勢(shì)崛起的趨勢(shì)。就中國(guó)而言，目前并沒(méi)有這種有著強(qiáng)勢(shì)崛起的趨勢(shì)的汽車(chē)企業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)的氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)仍然處于基礎(chǔ)創(chuàng)新初期?；趪?guó)內(nèi)專(zhuān)利總體的分析表明，伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)利申請(qǐng)主體由個(gè)人向企業(yè)轉(zhuǎn)變，企業(yè)日漸成為中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主體，更有利于氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新向產(chǎn)品以及市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這意味著企業(yè)能否在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新上得到實(shí)質(zhì)上的突破，這將不僅僅影響企業(yè)是否可以在技術(shù)創(chuàng)新的前沿獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且能提高國(guó)家在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域在國(guó)際上獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，包括創(chuàng)新技術(shù)等多個(gè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)逐漸成為汽車(chē)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)比我國(guó)新能源汽車(chē)政策的出臺(tái)以及專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)政策的出臺(tái)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)有很大的影響。因此，在氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，政府具有重要作用，重要的政策的出臺(tái)能夠有效促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。但是截至目前為止，在國(guó)家出臺(tái)的新能源汽車(chē)政策中，混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)以及燃料電池汽車(chē)仍然占據(jù)了主要部分。因此，從氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展到氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)真正奔馳在中國(guó)的街道上，都離不開(kāi)國(guó)家政策的大力支持。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著制作工藝以及新材料的不斷被發(fā)現(xiàn)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化路線終能實(shí)現(xiàn)。因此，中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活動(dòng)還需加強(qiáng)對(duì)前沿技術(shù)的關(guān)注，為中國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)在未來(lái)國(guó)際領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位奠定基礎(chǔ)。