SOFC(工作溫度600~1000℃)是以復合氧化物為電解質,不需要其他貴金屬催化劑,可以直接使用現有的各種含碳燃料,例如煤氣、合成氣、天然氣、液化石油氣等。與其他燃料電池比較,SOFC發電效率最高(綜合發電效率約80%)并可以和現有能源供應系統兼容,被認為是本世紀最有應用前景的綠色高效發電系統之一。
歐洲和北美已有多個供給碳氫燃料的SOFC示范項目。日本尼桑公司在2016年試運行了一款以乙醇為燃料的SOFC汽車。此外SOFC工作溫度較高,相較于PEMFC可允許電極溫升大,其水、熱管理也相對簡單。
1980年代后期SOFC研究得到蓬勃發展,以美國西屋電氣公司為首的歐洲、日韓等企業開始了SOFC的商業化探索。我國從2007年開始開展SOFC相關關鍵材料和基礎科學研究,基本實現了諸多核心關鍵技術突破,目前擁有自主知識產權,基本實現了SOFC關鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發電系統四部分技術全線貫通,但由于起步晚,仍處于初步探索階段。
在“雙碳”目標背景下,SOFC技術將有利助推我國能源結構綠色低碳轉型和煤炭清潔利用。
在此背景下,本文采用《固體氧化物燃料電池專利情況簡要分析》和《航空用燃料電池及混合電推進系統發展綜述》兩篇文獻內容,根據1991年1月1日—2020年12月31日已經公開的相關專利數據,重點從專利角度解讀中國固體氧化物燃料電池(SOFC)發展階段。結論為:中國目前對固體氧化物燃料電池的研究開發業已取得了很大的進展,但離商業化還有一定距離。SOFC的發展離不開政府的引導和大力支持,大學、政府和企業的“政產學研用”合作機制也是SOFC發展的重要推動力。
有質量的專利是指具有新穎性、創造性、實用性以及法律效力穩定的專利,其中創造性對專利的技術質量起直接決定作用。分析SOFC相關專利的法律狀態構成可見,相關授權專利共5602項(含授權后放棄、失效的專利),占總申請量的68.4%.失效專利3317項,占總申請量的37.6%;有效專利3686項,占總申請量的45.0%,占總授權量的65.8%.未繳年費專利1843項,占總授權量的33.0%,占失效專利的55.6%。
從數據上看,SOFC專利授權率較高,反映出目前SOFC專利質量相對較高,創新性較強。專利的實用性意味著其經濟價值或市場前景,而主動放棄和未繳年費的情況也多是由專利實用性低造成的,反映出相關專利未能實現技術轉移。SOFC專利未繳年費比例相對較高,說明部分專利的實用性不夠。
SOFC相關專利以公司和高校院所為主,公司申請最多占申請總數的58.2%。其次為高校院所占比41.1%,但有效專利占比均不到一半。公司和高校院所作為主要的申請單位,在撤回駁回的無效專利中,占比分別為32.2%和23.6%;在未繳年費的無效專利中,占比分別為38.0%和44.8%.表明雖專利申請量高但有效率低,高校院所專利質量相對較高,撤回駁回率低;未繳年費占比均較高,說明專利實用性欠缺,轉化效果較差。
目前,世界范圍內,SOFC已進入商業示范應用階段。由風險投資基金支持的美國BloomEnergy公司已在加州為Google、eBay、WalMart等公司提供了數百套燃料電池分布式發電系統。截至2020年,該公司已累計投放350MW的SOFC產品,其中近半數投放于加利福尼亞州。公司主要產品為BloomEnergyServer,現已更新至第五代,完成了對200kW的SOFC系統測試,據稱發電效率可以達到65%,處于世界領先水平。但在MW級SOFC的開發集成上還遠遠未能達到低于900美元/kW的目標。
日本的SOFC發展主要由NEDO(日本新能源產業技術綜合開發機構NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganizationJapan)推動,目標為到2024年,SOFC發電效率超過65%(低熱),壽命達130000h等。主要項目為SOFC系統重點技術的開發和工業驗證,主要研發機構包括愛信精機、大阪燃氣、京瓷和豐田汽車等企業。2017年工業用的SOFC燃料電池已開始進入商用化階段。歐洲的SOFC技術同樣已基本成熟,主要SOFCMicro-CHP(熱電聯產CombinedHeatandPower)的代表公司包括瑞士的SulzerHexis,英國CeresPower,意大利的Solidpower,丹麥TopsoeFuelCell,德國BoschTher-motechmology、Solid等。其中CeresPower技術較為先進。
整體而言,國內SOFC企業大多在研發、做示范工程,真正具備量產能力的只有潮州三環,華清在試產中,臨近規模化量產。
最后,綜合來看,中國目前對固體氧化物燃料電池的研究開發業已取得了很大的進展,但離商業化還有一定距離。SOFC的發展離不開政府的引導和大力支持,大學、政府和企業的“政產學研用”合作機制也是SOFC發展的重要推動力。