基于文献计量的全球氢燃料电池技术竞争态势分析

秦阿宁; 孙玉玲; 陈芳; 滕飞

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202002001

科学观察 ›› 2020, Vol. 15 ›› Issue (2) :1-14 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202002001

研究论文

基于文献计量的全球氢燃料电池技术竞争态势分析

秦阿宁 ¹ ,
孙玉玲 ^*^,¹^,² ,
陈芳 ¹ ,
滕飞 ¹^,³

作者信息 +

Analysis of International Competition of Hydrogen Fuel Cell Based on Bibliometrics

Qin Aning ¹ ,
Sun Yuling ^*^,¹^,² ,
Chen Fang ¹ ,
Teng Fei ¹^,³

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摘要

在全球气候变暖和能源供给日益紧张的背景下,氢燃料电池因其绿色高效的优势受到各国的关注。该文梳理和分析了主要国家/地区氢燃料电池发展战略与规划;并采用文献计量和文本挖掘技术,分析了第五代氢燃料电池——质子交换膜燃料电池的发展态势。研究结果表明：主要国家十分重视氢燃料电池技术,近年来纷纷出台政策加强战略布局和研发投入。从专利数量变化趋势和分布上看,氢燃料电池技术发展可能处于瓶颈期;日本和美国技术竞争优势明显,日本是该领域最大的技术来源国和技术市场国,且专利集中在丰田、松下电器等大型跨国企业手中,跨国企业技术垄断趋势明显;质子交换膜燃料电池技术研发热点主题主要集中在膜电极组件、辅助与控制系统等技术领域。

Abstract

In the context of global warming and increasingly shortage of energy supply, hydrogen fuel cell has attracted attention from countries due to their green and efficient advantages. This paper reviewed and analyzed the development strategies and plans of hydrogen fuel cell in major countries/regions, and analyzed the development trend of fifth-generation hydrogen fuel cell–proton exchange membrane fuel cell using bibliometrics and text mining techniques. The research results showed that major countries attach great importance to hydrogen fuel cell technology, and in recent years have introduced policies to strengthen strategic layout and R&D investment. From the perspective of the trend and distribution of the number of patents, the development of hydrogen fuel cell technology may be in a bottleneck period. Japan and the United States have obvious technological competitive advantages. Japan is the largest technology source country and technology market country in this field, and patents are concentrated in the hands of large multinational enterprises such as Toyota and Panasonic, and the technology monopoly trend of multinational enterprises is obvious. Proton exchange membrane fuel cell technology research and development hot topics are mainly concentrated in membrane electrode assembly, auxiliary and control systems and other technical fields.

Graphical abstract

关键词

氢燃料电池 / 质子交换膜燃料电池 / 专利 / 文献计量 / 态势分析

Key words

hydrogen fuel cell / proton exchange membrane fuel cell / patent / bibliometric / trend analysis

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秦阿宁, 孙玉玲, 陈芳, 滕飞. 基于文献计量的全球氢燃料电池技术竞争态势分析[J]. 科学观察, 2020, 15(2): 1-14 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202002001

Qin Aning, Sun Yuling, Chen Fang, Teng Fei. Analysis of International Competition of Hydrogen Fuel Cell Based on Bibliometrics[J]. Science Focus, 2020, 15(2): 1-14 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202002001

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1 引言

随着全球经济快速发展,三大化石能源的不断开发和使用,能源储备短缺与环境污染两大问题日益突出,推进绿色环保清洁低碳发展是实现能源可持续发展的必然选择。氢能作为一种绿色、高效的清洁能源,被视为解决未来能源资源问题和环境危机的途径之一,受到发达国家的高度关注。

氢燃料电池是氢能高效利用的重要途径。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,其工作的基本原理是电解水的逆反应（原理如图1 所示）^[1]。当氢燃料电池以纯氢气为燃料时,其化学反应产物仅是水,从根本上消除了CO、NO_x、SO_x、粉尘等大气污染物的排放,可实现零排放,同时由于燃料电池生成水的反应是放热反应,在工作中还会产生大量热水、蒸汽,因此不仅可以供电,还可以供暖,同时具有清洁、可靠、能移动、寿命长等优点,广泛应用于交通运输、固定发电站、备用电源和热电联供等领域^[2]。

按照电解质类型不同,可将氢燃料电池分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固态氧化物燃料电池（SOFC）等。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为第五代燃料电池,具有室温启动迅速、较高的能量转化率、无电解质泄露、高比功率与能量等特点,应用十分广泛,在燃料电池市场占据主导地位,2019年PEMFC的出货量占上述五类燃料电池类型总量的比例高达83%^[3]。因此本文将重点分析质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的全球竞争态势。

2 主要国家氢燃料电池发展战略与规划

2.1 日本

日本是全球推动氢燃料电池尤其是燃料电池汽车发展最积极、最活跃的国家。早在上世纪70年代,日本就开始了氢燃料电池技术的探索。在国家层面,政府将氢能作为国家能源战略的重要组成部分,氢燃料电池是氢能产业下游最重要的应用。自2009年,先后发布《燃料电池汽车和加氢站2015年商业化路线图》《氢能/燃料电池战略路线图》等,明确了燃料电池的商业化进程和发展路线。日本先后投入数千亿日元用于燃料电池汽车和氢能技术的研究和推广,并对加氢基础设施建设和终端应用进行补贴^[4]。根据2019年3月发布的第三版《氢能/燃料电池战略路线图》^[5],提出大幅降低燃料电池车成本以及逐步增产的目标。在随后制定的《氢燃料电池技术开发战略》^[6]中,细化了具体的研发目标和相关事项,在燃料电池技术、氢供应链和电解技术三大领域,确定了包括车载用燃料电池、定置用燃料电池、大规模制氢、水制氢等10个项目作为优先研究事项。经过数十年的研发攻关和商业化推广,日本不仅建立了氢燃料电池技术的全球优势,同时在产业化上走在全球前列。在日本,氢燃料电池不仅在汽车产业应用广泛,在家庭热电联产、固定电源上应用也十分广泛。

2.2 美国

美国是最早将氢能和燃料电池作为能源战略的国家,且美国是燃料电池乘用车销量第一的国家。美国政府发布的《能源政策法》《全面能源战略》等政策文本中均提出要大力促进氢和燃料电池的发展,特朗普政府将氢能和燃料电池作为美国优先能源战略,开展前沿技术研究。2018年,美国宣布10月8日为美国国家氢能与燃料电池纪念日。

美国政府对氢能和燃料电池技术的研究给予了持续的支持,近十年的支持规模超过了16亿美元。美国国会参众两院通过了2020财年最终折中拨款法案中,能源部燃料电池技术办公室（FCTO）将在2020财年获得1.5亿美元用以推动燃料电池技术的发展^[7],包括氢燃料研发、技术加速提高、氢基础设施研发等。2018年,美国通过两党预算法案,对固定式燃料电池发电和交通应用燃料电池的联邦商业投资继续进行税收抵免。根据美国国际贸易委员会（ITC）减免法规,将在五年内逐步减少30%的税收,最终确保燃料电池产品（包括固定电站和物料运输行业）达到其他清洁能源技术同等发展水平^[8]。

2.3 欧洲

欧洲把燃料电池技术作为其能源领域的一项战略技术,积极推广燃料电池的产业化,强调燃料电池在交通领域的商业化推广和氢能基础设施建设,目前全球超过70%的氢能和燃料电池示范项目落户欧洲^[2]。在产业化推广过程中,欧洲密集出台了大量产业扶持政策,自2000年以来先后出台了《燃料电池与氢联合技术计划》（FCH-JU）^[9]、欧洲城市清洁氢能项目（CHIC）、Horizon2020计划、H2ME^[10]和JIVE项目^[11]等。2019 年2 月,欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCH-JU)发布了《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》^[12],指出要降低氢能和燃料电池技术的成本并扩大其在建筑、交通和工业领域的应用规模,以使欧洲在全球能源转型经济中占据领先地位。

2.4 韩国

韩国将氢能产业定位三大战略投资领域之一,从经济社会可持续发展和能源安全等战略层面着手,出台了氢能和燃料电池技术产业支持政策。2008年以来,先后投入3 500亿韩元实施 “低碳绿色增长战略”、“绿色氢城市示范”等项目,持续推进氢能及燃料电池技术的研发。韩国高度重视氢燃料电池技术在交通领域的应用,出台了《氢燃料电池汽车产业生态战略路线图》,提出了尽快布局包括氢能燃料电池汽车、加氢站、氢能源在内的产业生态系统。2019年初,韩国正式发布了《氢能经济发展路线图》^[13],旨在发展氢能源相关新兴产业,进一步推动以清洁能源取代化石燃料发电,力求在2030年时,韩国氢燃料电池和氢燃料电池汽车的世界市场占有率均达到世界第一的水平。

2.5 中国

中国高度重视燃料电池的发展。2000年以来,在国家层面的多个规划和战略中提及发展氢能与燃料电池技术,引导并促进燃料电池产业发展。在国家《能源发展战略行动计划（2014–2020年）》中,把氢能与燃料电池作为能源科技创新战略重点之一^[14]。在国家发改委和能源局印发的《能源技术革命创新行动计划（2016–2030年）》中,明确了氢能与燃料电池技术创新目标与路线。总体目标是到 2020 年,实现燃料电池和氢能的示范运行;2030年实现大规模推广应用;2050年实现普及应用。截至2019年底,全国已有30多个省、市、甚至区级政府出台氢能产业或氢燃料电池车发展规划,同时给予加氢站建设与运营补贴、燃料电池车运营补贴,吸引了大量资本投入与企业布局。

在主要国家积极的战略布局指导和推动下,氢燃料电池技术发展迅速,随着加氢站等基础设施建设的快速推进,先行国家如美国、日本、德国等形成了完整的氢与燃料电池产业链,并不断拓展下游应用领域。氢燃料电池技术迎来了新一轮发展契机。本文拟从专利角度分析氢燃料电池技术的变化、构成和热点,揭示氢燃料电池技术的发展脉络和趋势。

3 数据及方法

本文以Web of Science平台的德温特创新索引（Derwent Innovations Index）数据库为数据来源,以第五代氢燃料电池质子交换膜燃料电池为数据分析对象,利用关键词和德温特手工代码（MC）组合构建氢燃料电池检索式¹(¹检索式：TS=(“PEMFC” or “proton exchange membrane fuel cell” or “polymer electrolyte membrane fuel cell” or “PEFC” or “polymer electrolyte fuel cell” or “solid polymer fuel cell” or “SPFC”) OR MC=((L03-E04A2) or (L03-E04F))),对1963–2019年的数据进行了检索,共检索出相关专利24 093项（检索时间为2019年5月13日）,并对检索出的数据采用Derwent Data Analyzer（DDA）、Excel、Tableau、Gephi等工具进行清洗和可视化分析。采用基于专利计量的方法分析了氢燃料电池领域技术发展趋势与竞争格局。

4 氢燃料电池技术专利态势分析

4.1 氢燃料电池技术专利数量变化趋势

从全球氢燃料电池技术专利数量变化看（图2）,氢燃料电池的技术研发经历了三个阶段：1960年代到1990年代初,技术萌芽期,由于电解质膜稳定性差、电池堆寿命短、催化剂贵金属Pt用量太高,以及成本和市场等问题的限制,氢燃料电池发展较为缓慢;从1995年开始,随着全球能源危机以及航天军事应用的需要,以及在世界各国出台的一系列支持性政策和企业的投资支持下,氢燃料电池技术得到快速发展,专利数量呈现快速增长态势,这个趋势一直延续到2006年;2007年后,氢燃料电池全球专利数量呈逐年下滑趋势,原因一方面来自于技术本身的瓶颈效应,例如降低成本是日本氢燃料电池技术未来一段时间的主要目标,另一方面在氢燃料电池尚处于商业导入期,技术应用仍受到商业成本、安全标准等方面的挑战和制约,技术研发缺乏市场推动力。

从主要竞争国家在专利数量的份额上看,日本、美国、中国、韩国和德国占据了绝大部分份额。日本、美国和德国在氢燃料电池领域研究较早,其专利数量变化趋势与全球趋势基本吻合。韩国和中国属于氢燃料电池技术领域的后来者,从1990年代开始才有专利申请。韩国近几年专利申请有所减少,但中国专利的申请数量呈现逐年增长的趋势。

4.2 氢燃料电池技术专利数量国家/地区分布

本文利用专利优先权国家/地区指标代表技术来源国,同族专利国家/地区代表技术市场国,分析氢燃料电池技术在全球的分布特点。

4.2.1 主要的技术来源国和技术市场国

从图3(a）可以看出,氢燃料电池各技术来源国专利数量相差较大。日本是氢燃料电池技术的主要技术来源国,其申请的专利数量占总体的53%,远超其他国家。日本早在1970年代就开始了氢燃料电池技术的开发,并出台了大量扶持性政策,从而奠定了日本氢燃料电池技术的全球领先地位。美国、中国的专利申请数量比较接近,分别占总量的13%、12%。美国自1970年代石油危机以来,加大了对新能源的开发支持,并且十分重视氢燃料电池领域前沿技术研发,因此在全球布局了大量专利。中国虽然进军氢燃料电池领域较晚,但随着近年来对新能源以及新能源汽车产业的政策扶持,开展了大量项目研究,例如科技部国家重点研发计划等,表现出较强的后发优势。接下来是韩国和德国,专利占比分别为4%和2%。日本、美国、中国、韩国和德国是氢燃料电池技术领域的主要技术来源国。从技术市场分布国家（图3(b)）来看,日本、美国、中国、韩国和德国同样是主要的技术市场国家。对比分析主要专利技术来源国和专利技术市场国家的数量可以看出,来源于美国和中国的专利数量分别为3 430项和3 194项,而在美国和中国市场布局的专利数量分别为7 361项和5 976项,数量基本翻了一倍左右,说明主要国家十分重视在中国和美国进行市场布局。

4.2.2 TOP5优先权国家专利市场布局

进一步对比分析Top5优先权国家在全球的专利市场布局（图4）,五个主要竞争国家除了在本国申请外,均在多个国家进行了专利布局。美国、韩国和德国布局比较广泛。美国在日本、中国、韩国、德国、加拿大等多个国家进行了专利布局。与其他国家相比,中国在本国布局比例较高。

4.2.3 Top5优先权国家技术方向分布

氢燃料电池领域Top5优先权国家的技术方向分布如表1所示。从图中可以看出,五个国家在氢燃料电池技术方向上存在一定差异,日本在主要技术方向的专利数量上大幅度领先于其他国家。日本和美国申请专利的前三个技术方向分别是H01M-008/10（固体电解质的燃料电池）、H01M-008/02（燃料电池零部件,如膜电极组件、双极板等）和H01M-008/04（燃料电池辅助装置或方法,例如用于压力控制的,用于流体循环的）;中国申请专利的前三个技术方向分别是H01M-008/02、H01M-008/10和H01M-004/88（电极制造方法）;韩国申请专利的前三个技术方向分别为H01M-008/10、H01M-008/02和H01M-004/86（用催化剂活化的惰性电极）;德国的前三个技术方向分别是H01M-008/02、H01M-008/04和H01M-008/10。

4.3 氢燃料电池技术专利竞争对手分析

4.3.1 Top20专利权人/机构专利数量对比分析

在氢燃料电池技术领域中,Top20专利权人/机构的专利数量占全球专利总量的30%,表明该领域技术相对集中。从表2可以看出,在Top20专利权人/机构中,有14家来自日本,3家来自韩国,美国、中国和德国各1家,其中Top5专利权人/机构均来自日本,这些企业的专利数量总和超过Top20专利权人/机构的50%,他们在氢燃料电池技术领域深耕数十年,技术布局广泛,技术竞争优势明显。Top20个专利权人/机构中除中国科学院1家科研机构外,其余均为企业,说明氢燃料电池技术主要掌握在企业中,尤其是大型跨国企业。从专利申请延续时间看,日本企业明显早于其他机构进入该领域,同时绝大部分机构仍在该领域持续开展研发。

通过进一步分析Top20专利权人/机构申请专利的主要技术方向（表3）和主要技术方向的专利内容,氢燃料电池技术领域的Top20专利权人/机构大致可以分为以下三类。

（1）以丰田、本田、日产、通用等为代表的汽车制造商：在Top20专利权人/机构中,汽车产业相关企业共有6家,其中丰田汽车公司以2 370项专利的绝对优势位居全球第一位,这6家汽车企业申请专利数量占据全球专利总量的14%。这在一定程度上反映了氢燃料电池在汽车产业受到广泛关注且应用较多。这6家企业均为跨国大企业,资金雄厚且较早开展氢燃料电池技术研究,因此掌握了大量专利。这6家汽车产业的专利权人/机构的技术主要侧重的是H01M-008/10（固体电解质的燃料电池）、H01M-008/02（燃料电池零部件,如膜电极组件、双极板等）和H01M-008/04（燃料电池辅助装置或方法,例如用于压力控制的,用于流体循环的）等技术方向。

（2）以松下电器产业株式会社、三菱集团旗下的三菱重工、东芝集团、三星集团等为代表的以开发固定式和便携式燃料电池为主的制造商：其中松下电器产业株式会社以1 118项专利数量位居全球第二,早在1990年代,松下电器就启动了用于家用热电联产领域的燃料电池系统的开发。2009年,松下在日本推出了全球第一个家用燃料电池“Ene-Farm”。2012年,松下在日本山梨县“Yume Solar Hall Yamanashi”和静冈县氢能源示范镇项目中,一直持续试验氢燃料电池技术,并计划于2021年4月左右在日本实现氢燃料电池的商业化。这部分专利权人/机构主要侧重于H01M-008/10（固体电解质的燃料电池）、H01M-008/02（燃料电池零部件,如膜电极组件、双极板等）、H01M-008/04（燃料电池辅助装置或方法,例如用于压力控制的,用于流体循环的）以及H01M-004/86（用催化剂活化的惰性电极）等技术方向。

（3）以三菱旗下的旭硝子玻璃（AGC）、住友集团、凸版印刷株式会社、大日本印刷公司、JSR公司、东丽集团等为代表以开发氢燃料电池关键材料和部件为主的制造商：这部分专利权人/机构主要为氢燃料电池的应用提供氢燃料电池关键材料和部件,如三菱旗下的AGC是重要的质子交换膜生产厂商;住友集团申请的金属双极板、膜电极组件、密封圈等专利;JSR公司、东丽集团均是著名的气体扩散层供应商等。这部分专利权人/机构主要侧重于H01M-008/10（固体电解质的燃料电池）、H01M-008/02（燃料电池零部件,如膜电极组件、双极板等）、H01M-004/86（用催化剂活化的惰性电极）、H01M-004/24（把燃料电池组合成电池组,例如组合电池）等技术方向。

4.3.2 Top20专利权人/机构合作关系

从Top20位专利权人/机构合作关系图（图5）中可以看出,在氢燃料电池技术领域,国际机构有合作申请专利申请,例如三星与松下电器产业株式会社、中国科学院等有合作。由于Top20专利权人/机构中日本机构占大多数,有14家,因此图5中显示的氢燃料电池更广泛的合作主要分布在日本的专利权人/机构中。例如日本的丰田汽车公司与三菱集团、住友集团和日立集团有合作;松下电器产业株式会社与三菱集团、三星集团、JSR集团、日产汽车公司和富士电机株式会社有合作。进一步分析这些机构合作申请的专利发现,合作主要分布在燃料电池应用企业与燃料电池关键部件的生产商之间,例如合作较密切的本田汽车公司和日本著名的燃料电池气体扩散层的生产商JSR公司,其合作申请的专利是关于氢燃料电池扩散层的专利。

4.4 氢燃料电池技术主题分析

利用K-means聚类算法,对氢燃料电池技术领域专利的标题和摘要部分进行文本聚类,结果如图6。氢燃料电池技术领域的研究主题主要聚焦在：（1）质子交换膜：聚合物电解质膜、复合膜、高温质子交换膜、嵌段共聚物等;（2）电极组件：电极结构与制备、电极催化层、气体扩散层等;（3）催化剂：Pt催化剂、催化剂制备、催化剂表面积、碳纳米管等;（4）双极板：金属双极板、石墨双极板、双极板流场等;（5）控制与辅助系统：控制器、电压控制、冷却水、热交换、控制系统、重整等;（6）应用：手机、电脑等便携电源、燃料电池车等。

根据K-means主题聚类结果,进一步分析了上述六个聚类主题的强度演化趋势（图7）。采用各个主题对应的专利数量来表征主题强度,通过计算各个主题所对应的专利数量随时间变化趋势来体现主题强度的变化。从图7中可以看出,各个研究主题整体呈现先上升后下降的趋势,1995年之前,各个主题申请都比较少,专利数量增加缓慢;从1996年开始到2005年左右,各个主题专利数量增长迅速。尤其是初期困扰氢燃料电池发展的关键部件质子交换膜,随着研究的投入,其呈现快速增长趋势。同时,在氢燃料电池各个部件技术研究不断进步的推动下,氢燃料电池应用也逐渐增多起来。到达顶峰之后,各个主题专利数量整体呈下降趋势。

氢燃料电池经过多年的研发,其性能已取得明显提高,但还未实现大规模商业化应用。目前困扰质子交换膜燃料电池商业化进程的主要问题是成本和寿命,而膜电极组件（质子交换膜、催化剂、气体扩散层）和双极板是燃料电池的两大核心部件,直接决定着燃料电池的成本与寿命。在进一步分析这两大核心部件的关键技术时发现（图8）,质子交换膜以聚合物质子交换膜为主,但是从2000年起复合质子交换膜和高温质子交换膜开始发展,逐渐受到关注;扩散层材料以碳纸或碳布为主;催化剂以Pt催化剂为主;双极板以金属双极板为主,且从2000年开始得到较快发展,目前仍受到关注。

5 结语

随着氢燃料电池产业技术的不断突破,应用场景的不断丰富,全球氢燃料电池发展正迎来新一轮高潮。发达国家和地区如美国、日本、欧洲、韩国等持续出台了战略规划和投资计划,以规划引领技术和市场的发展。从全球的战略规划上看,目前氢燃料电池应用最有前景的仍是交通领域,各国都提出了雄心勃勃的氢燃料电池汽车发展目标。同时,降低各环节的使用成本和扩大规模化利用也是各主要国家的重点。从研发战略上,当前氢燃料电池的研发重点是降低氢燃料电池的生产成本。随着技术的不断进步,氢燃料电池系统成本正在不断下降。根据美国能源部对氢燃料电池系统成本的预算,该预算以80 kW质子交换膜燃料电池为样本,以大规模生产50万个/年为预算条件,燃料电池成本已从2006年的140美元/kW降至2018年的45美元/kW,下降幅度67%。美国能源部的目标是在2025年降至40美元/kW,最终目标是成本实现30美元/kW ^[15]。

在氢燃料电池技术领域,日本是全球氢燃料电池技术的全面掌控者,美国也拥有不容忽视的技术实力。在主要竞争国家中,日本和美国专利申请时间较早,为氢燃料电池传统上的技术强国,且日本、美国、韩国和德国的专利技术市场布局均较广泛。相比之下,中国在氢燃料电池技术领域起步较晚,且在全球的市场布局不足,与日美强国存在较大差距。可以预见,在氢燃料电池市场,中国将可能面对其他国家的技术壁垒。

在氢燃料电池技术领域的Top20专利权人/机构中,汽车产业相关公司占据较大比重,反映了氢燃料电池将在汽车产业中得到广泛应用;Top5专利权人/机构的专利申请数量在全球专利数量中占比较高,技术集中在跨国企业手中,跨国企业技术垄断的趋势比较明显。

氢燃料电池技术研究主题主要为质子交换膜、电极、催化剂、双极板、控制与辅助系统、应用。氢燃料电池的核心部件质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板总体专利数量均呈现先上升后下降的趋势,说明这些核心部件需要进一步的技术突破。今后发展方向应从降低燃料电池的生产成本和提高寿命出发,包括质子交换膜结构的改善和新型质子交换膜开发,例如高温质子交换膜;进一步降低铂催化剂用量甚至使用非铂催化剂;开发表面改性的金属双极板等。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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