[金容柱专栏] 氢燃料电池拖拉机：国内外专利与技术竞争现状及国内技术 확보的紧迫性

[金容柱专栏] 忠南大学农业生命科学学院智能农业系统机械工程系教授
 

引言 — 大型农机，如今必须转向环保动力源

随着农户人口持续减少、人均负担面积增加，农业现场的机械化一直朝着大型化方向发展。超过100马力的大型拖拉机需要长时间执行犁耕、旋耕及牵引大型作业机等高负荷作业，因此动力源的稳定性与持续性尤为重要。然而，近来在全球碳中和趋势之下，在大型农机领域引入可替代柴油发动机的环保动力源，已成为无法回避的课题。

问题在于，究竟什么样的环保动力源适合大型农机。在乘用车或小型农机领域，电池已成为有力替代方案，但若原样应用于100马力以上的大型拖拉机，其局限性十分明显。电池单位重量可储存的能量，即能量密度较低，若要 확보长时间高负荷作业所需的能量，电池本身就会变得过于沉重。此外，在拖拉机结构上受限的空间内布置电池时，也会引发设计上的问题。再加上充电时间较长，在农忙季连续作业中会带来实际限制。

作为能够从根本上克服这些局限的替代方案，受到关注的正是氢燃料电池。氢燃料电池通过氢与氧的电化学反应产生电能，既是仅排放水的无公害动力源，同时又具备远高于电池的能量密度和更短的补能时间。

                        <图1> 锂离子电池与压缩氢气的单位重量能量密度比较

从上述比较可以看出，氢燃料电池在相同重量下可储存约为锂离子电池4倍的能量。也就是说，为了储存相同的能量，电池必须比氢燃料电池重得多。拖拉机为了 확보较高牵引力，需要一定程度的重量，但重量过度增加会提高土壤压实和行驶阻力，并可能降低能耗表现与作业效率。

        <图2> 电池与氢燃料电池按不同补能方式的时间比较（以100 kWh 为基准）

此外，如上图所示，氢以气态进行高压储存与加注，因此能够在短时间内补充能量，在实际农业作业现场比电池方式更具优势。若补充约100kWh 水平的能量，氢可根据加注条件和储氢容器规格，在约3~5分钟内完成加注。相反，采用200kW级快充设备的电池约需30~40分钟，而慢充则可能需要约6~10小时以上。因此，在作业时间受限的农忙季或需要长时间连续运行的农业作业中，能够减少补能等待时间的氢方式，在设备开工率和作业效率方面可能具有相对更高的竞争力。

                  <图3> 氢燃料电池（PEMFC） 拖拉机的动力产生原理及流程图

上图示意了氢燃料电池拖拉机的动力产生原理。储存在储氢罐中的氢与从空气中吸入的氧一起，在燃料电池堆内部发生电化学反应产生电能，而这些电能基本上用于驱动车辆。当燃料电池产生的电力高于车辆需求输出时，剩余电力会储存在作为辅助电源的高压电池或超级电容器中。相反，当车辆需求输出高于燃料电池发电输出时，则会同时使用储存在辅助电源中的能量。反应后排放的只有水和热能，因此这是一种在完全替代柴油发动机的同时，还能实现零排放（Zero-emission）的结构。

<图4> 国内外主要企业氢燃料电池农用拖拉机专利申请件数（以IP 5国及PCT 为准，统计至2026年7月1日前公开及注册件）

日本久保田的一骑绝尘 — 以专利抢占未来市场
问题的关键在于，谁能率先掌握这种氢燃料电池大型拖拉机技术。在这场竞争中走在最前面的，是全球第3大农机企业日本久保田（KUBOTA）。久保田在2025年大阪·关西世博会上，全球首次公开了100马力级自动驾驶氢燃料电池拖拉机原型机。该拖拉机一次加氢即可连续作业接近半天，且加注时间也仅约10分钟，因此被评价为在大型农机环保转型中验证了氢燃料电池实际有效性的案例。

更值得关注的是久保田的专利战略。以农用拖拉机领域的国内外主要企业（KUBOTA、YANMAR、ISEKI、Deere & Company、CNH）为对象，对其氢燃料电池农用拖拉机相关专利持有现状进行比较的结果显示，久保田共持有171件专利，占整体约82%，以压倒性优势位居第一。另一方面，在该领域唯一紧追久保田的，是韩国的研究团队。相关成果出自由产学研组成的“基于环保氢燃料电池的110kW级大型拖拉机开发”研究团队¹（19件，约9%）。

         <图5> 国内外主要企业氢燃料电池农用拖拉机各年度专利申请件数

国内技术现状 — 国内开发联盟的挑战与剩余课题
如前所述，自2022年以来，国内研究团队的年均专利申请增长率为18.9%，仅为久保田（98.3%）的五分之一左右。此外，在国内公开的19件专利中，为 확보海外市场权利而进行的PCT 申请仅有7件（约37%），在海外市场应对能力方面也远不及久保田。不过，也有令人看到希望之处。久保田主要集中于针对其自有拖拉机平台驾驶室上部（车顶）布置储氢罐结构的专利，而国内研究联盟则着力于将氢模块安装在驾驶室座椅下部和动力总成上部的结构。这一点可被视为技术差异化所在，因为其同时 확보了可较容易适用于国内3家拖拉机制造商任一平台的通用性，以及兼顾车辆稳定性的设计技术。 

结论与建议 — 若不想错过黄金时间
总而言之，氢燃料电池在大型农机环保转型中，是比电池更现实的替代方案，而相关技术竞争已经开始。在全球第3大农机企业久保田凭借压倒性的资本实力加速专利申请之际，韩国国内则仅有产学研研究团队勉强形成了竞争格局。然而，这一格局今后能否持续，尚难断言。

还必须明确指出，阻碍氢燃料电池拖拉机商业化的现实障碍也十分明显。韩国国内的加氢基础设施仍然以乘用车为中心，而且主要沿城市和主要道路建设，在农村地区几乎难以找到加氢基础设施。无论开发出多么优秀的氢燃料电池拖拉机，如果无法在农户附近便捷地加氢，商业化就必然困难重重。

第一，仅靠研究机构和个别企业自身投资，难以跟上海外领先企业在资本实力和市场规模优势下的技术开发速度。即便初期开发成本较高，只要通过持续投资提高核心零部件国产化率和生产规模，长期来看就能稳定系统价格。正如电动汽车和充电基础设施克服了初期高成本与有限市场性并成长为一个产业一样，氢农机也应通过持续的技术开发和市场投资来 확보经济性与实用性。

第二，为了在农村地区稳定供应氢，不仅要建设加氢基础设施，还应同步构建将氢的生产、运输、储存、加注有机衔接起来的环保农业能源生态体系。尤其是农业机械不同于普通乘用车，往往需要在加氢站可达性较低的农村和远距离作业现场长时间运行，因此仅靠现有固定式加氢站，难以有效应对实际农业作业需求。因此，有必要开发并验证适合地区和作业条件的多种供应方式，如移动式加氢站、现场型制氢与加注设备、农业机械专用加注系统等。氢农机产业不能止步于分别开发车辆和加氢基础设施，而应将从制氢到农业作业现场供应与利用的全过程联结为一个产业体系，发展为可持续的环保农业能源生态系统。

第三，在氢燃料电池农机市场中，与率先开发技术同样重要的是，对相关技术权利能够多大范围地进行 확보。久保田通过优先权主张和同族专利方式，将多项专利同时申请至多个国家，为未来全球市场做准备。目前，韩国国内研究团队在与海外领先企业的竞争中，仍然保有技术上的可能性。如果不能将当前 확보的研究成果衔接到后续开发与验证、专利及产业化上，那么好不容易形成的竞争格局可能会迅速瓦解。 

预计氢燃料电池拖拉机将与电动拖拉机一道，成为未来引领环保农机市场的核心支柱。哪个国家掌握其技术主导权，可能会改变未来数十年全球农机产业的版图。下一篇将更具体地探讨氢燃料电池拖拉机的核心零部件技术以及国内外实证案例。