（国家知识产权局专利分析普及推广项目石墨烯电池课题组）

（编辑：孙雅曼，编校：秦韵，审读：刘珊，美编：曹晨）

燃料电池具有发电效率高、污染少等优点，其在诸多领域均有应用，从车辆电源到普通移动电子产品的电源均有涉及。而石墨烯材料具有优异的电学、光学、热学、力学和磁学等物理性质，具有较高的理论比表面积（达到2630 m2/g）、良好的吸附性能、较强的机械强度及优异的稳定性和导电性，可以在燃料电池中应用从而改善燃料电池的性能。

基于燃料电池行业发展的需求，国家知识产权局专利分析普及推广项目石墨烯电池课题组从石墨烯在燃料电池中应用的角度进行了深度剖析。

PART 1——专利分布

从全球统计的数据来看，中国的申请占有全球专利申请总量的66%，韩、美、日紧随其后。其中美国、日本两国对于石墨烯燃料电池的研究起步都比较早，早在2005年就开展相关的研究；中国的起步相对较晚，最早的申请在2009年提出，但国内研究的发展势头却要远好于美日。

表1统计了主要目标国/地区申请数量与国外申请的占比，从表1的数据统计中看出，虽然中国的申请量很大，但进入中国的国外申请所占比例却很少；与之相反，境外进入美国的国外申请的量和所占比例均最大，预示着研究者对于美国市场的重视以及目前对于中国市场可能仍处于观望发展阶段。

PART 2——研究热点

图1显示了石墨烯在燃料电池各部件中应用的情况。其中，石墨烯在电极催化剂中的应用占所有应用的85%，可以看出在燃料电池中，催化剂的性能对燃料电池性能地提升影响巨大，因此全球对于石墨烯的应用主要集中在如何利用石墨烯改进燃料电池的电极催化剂。
对于电极催化剂，又可细分为两个大方向——石墨烯做催化剂载体和石墨烯直接做电极。

传统的燃料电池催化剂以铂系贵金属作为活性物质，而为了增加催化剂的有效利用率，需要石墨烯作为载体为其提供较高的比表面积和稳定性等，这部分的申请量占全部的56%。此外考虑到铂系贵金属稀有、成本昂贵以及易中毒等原因，部分研究开始转向寻找可替代的非贵金属活性物质，甚至于舍弃金属活性物质，将石墨烯改性后直接作为催化剂使用。

对于石墨烯作载体负载贵金属，图2显示了国内外在这一研究方向上各自的关注点。

可以看出，国外申请人集中于单纯的方法/工艺改进，通过改进制备时的反应组分、工艺参数，其最终提高铂系金属的分布状况和控制其粒径。而国内的申请人已经不满足于单纯的方法/工艺改进，开始大量研究对活性组分和石墨烯载体的改性，以期能得到电化学性能更佳的催化剂电极。
其中对活性组分的改性包括了除铂系贵金属以外，还复合添加其它非贵金属或其衍生物，例如过渡金属，其中主要涉及铁、铜、钴、镍等及其氧化物、有机配合物。对石墨烯载体的改性包括了杂原子的掺杂或有机物的表面修饰——杂原子涉及氮、磷、硫、硼等原子，其中氮原子掺杂是目前研究最多的掺杂元素，而其余原子的掺杂也得到一定的关注；而表面修饰则主要选择有机聚合物对石墨烯进行改性，例如吡啶等大环化合物。

图3显示了国内外研究者在石墨烯负载非贵金属方向上各自的关注点。

从上图可以看出国内外共同关注非贵金属及其衍生物的研究。但同时，国内申请人也同样重视对载体的改性，通过改进载体提高非贵金属的催化效果。

PART3——申请人的研究 

石墨烯在燃料电池应用的申请人非常分散，每位申请人的申请量都不大，除了排名第一的北京化工大学的申请量超过10项，其他申请人的申请量都是个位数。 

全球申请量相对较多的国外申请人包括：纳米技术仪器公司（美）、爱考斯研究公司（日）、三星集团（韩）和智慧能量有限公司（英）。纳米技术仪器公司和爱考斯研究公司对石墨烯燃料电池技术关注较早，但仅局限于本国申请，并未向国外进行布局。三星集团申请的专利同时在韩国、美国、日本、欧洲或中国等地进行布局，可见其对石墨烯燃料电池技术的关注程度。

国内的申请人主要包括北京化工大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中科院大连化物所、南京理工大学、复旦大学、南京大学；拥有一定申请量的企业包括蓝星（北京）化工机械有限公司和海洋王公司。

虽然北京化工大学的申请量最高，以较大申请量的优势领先于其他大学，但是其中有相当一部分申请已经失效，且一部分申请是由北京化工大学常州先进材料研究院提出，综合考虑其申请情况，北京化工大学实际的研究实力与其他各所大学相差不大。

由此可以看出，我国在石墨烯燃料电池研究方面还是处于领先地位。但是，石墨烯在燃料电池中的产业化应用才刚起步，主要的研究者还是以大学和科研院所为主，距离实现大规模的商业化仍有一段距离，需要加强科研平台与产业基地的合作。