文章要點(diǎn)：

氫能技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展。為了充分利用氫氣作為全球清潔可持續(xù)能源和原料來源，越來越多的老牌和新興參與者正克服技術(shù)挑戰(zhàn)和限制。

降低成本、提高效率和增強(qiáng)氫氣生命周期安全的氫氣將在全球能源源頭中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

德國、日本、美國和韓國是氫能技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者。

氫能技術(shù)多樣性：現(xiàn)有專利涵蓋多種制氫技術(shù)，包括僅綠氫領(lǐng)域的堿性、聚合物電解膜(PEM)和固體氧化物電解，均呈現(xiàn)出增長趨勢。

氫氣儲(chǔ)存專利申請的趨勢與生產(chǎn)相關(guān)，并同時(shí)發(fā)展。

氫氣作為轉(zhuǎn)向綠色能源的關(guān)鍵部分仍備受推崇。它可以通過清潔能源大規(guī)模生產(chǎn)，為工業(yè)提供更清潔的氫氣原料。同時(shí)，氫氣還可以用于清潔應(yīng)用，例如氫燃料電動(dòng)汽車。最后這一應(yīng)用可能是最為人熟知的，因?yàn)闅淙剂想姵乜梢猿蔀殡妱?dòng)汽車的動(dòng)力來源，可能替代電化學(xué)電池。

《Hydrogen Insights 2023》的報(bào)告顯示，全球已宣布1,000多個(gè)氫能項(xiàng)目提案，到2030年向氫氣價(jià)值鏈投資3,200億美元。歐洲的實(shí)體獲得了其中35%的投資，確立了歐洲作為全球氫能項(xiàng)目提案的領(lǐng)導(dǎo)者。拉丁美洲和北美實(shí)體獲得了約15%的投資。其中，有112個(gè)巨型規(guī)模的項(xiàng)目提案，91個(gè)是可再生能源，21個(gè)是低碳?xì)洹?/p>

氫氣在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用方面面臨著許多障礙。消費(fèi)者對氫氣的認(rèn)知也是挑戰(zhàn)，作為家庭能源來源的氫氣并未得到公眾的廣泛接受?？朔@些障礙將至關(guān)重要。

制氫方面的創(chuàng)新

全球清潔氫氣的生產(chǎn)目前不到1 Mt H/年。據(jù)目前的投資，到2030年全球清潔氫供應(yīng)預(yù)計(jì)將達(dá)到38 Mt H2/年。國際能源署（IEA）指出，為在2050年實(shí)現(xiàn)零凈排放目標(biāo)，能源供應(yīng)商必須到2030年生產(chǎn)每年達(dá)到200 Mt H2的清潔氫氣。

（氫能）專利申請始于1990年代中期，當(dāng)時(shí)冰島宣布計(jì)劃在2030年之前轉(zhuǎn)型成為氫經(jīng)濟(jì)，并且殼牌成立了氫能部門。（氫能）專利申請數(shù)量逐年穩(wěn)步增長，直至2005年停滯，然后在2018年略微下降，但在2021年達(dá)到了歷史最高水平。預(yù)計(jì)（氫能）專利申請數(shù)量將持續(xù)增長。

圖1：三十年趨勢 - 全球優(yōu)先申請 - 制氫

各地區(qū)的申請

和制氫創(chuàng)新相關(guān)的新專利申請數(shù)量最多的地區(qū)是日本，其次是韓國、美國、歐洲和中國。

圖2：十年趨勢 - 各地區(qū)的申請數(shù)量 - 制氫

IEA在2019年為G20發(fā)布了關(guān)于《氫能的未來》的特別報(bào)告時(shí)，只有法國、日本和韓國有氫能戰(zhàn)略，IEA在報(bào)告中將這幾個(gè)國家列為追趕氫能未來的創(chuàng)新先驅(qū)，這也反映在全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)中。

日本一直對開發(fā)氫能作為更清潔的替代能源感興趣，在21世紀(jì)初打造了世界上首個(gè)為燃料電池汽車提供氫氣的加氫站。2004年日本氫能相關(guān)專利申請激增，對全球?qū)＠暾垟?shù)量的增加做出了貢獻(xiàn)。

美國能源部(DOE)旨在加速創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更豐富、更實(shí)惠和更可靠的清潔能源，在未來十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)零碳排放目標(biāo)。DOE在2021年設(shè)立了首個(gè)Energy Earthshot – Hydrogen Shot項(xiàng)目計(jì)劃，旨在在十年內(nèi)將清潔氫成本降低80%，至每公斤1美元。這可能會(huì)在未來幾年推動(dòng)美國氫氣技術(shù)的增長。

專利申請人

過去五年，獨(dú)特專利申請人與總專利申請數(shù)量的比例保持穩(wěn)定，每年平均差異為35%，表明制氫技術(shù)的創(chuàng)新不完全由少數(shù)主要參與者主導(dǎo)，而是更為普遍。實(shí)際上，數(shù)據(jù)顯示經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)新創(chuàng)新者。

圖3：五年趨勢 - 全球優(yōu)先申請和獨(dú)特申請人（按年份） - 制氫

大型跨國公司，三菱、液空、豐田和東京燃?xì)?，是制氫領(lǐng)域的頂尖的全球?qū)＠暾埲恕Ｆ渌呱暾堈甙▽I(yè)的制氫初創(chuàng)公司，如中國的Sungrow Hydrogen（陽光氫能）和韓國的Kwatercraft。過去十年中，頂級(jí)申請者的申請數(shù)量似乎有所波動(dòng)，但趨勢顯示最近的專利申請數(shù)量有所增加。

目前，化工行業(yè)中的實(shí)體在制氫創(chuàng)新方面占主導(dǎo)地位。和電氣和機(jī)械工程領(lǐng)域相比，化學(xué)相關(guān)的制氫技術(shù)近年來呈現(xiàn)出快速創(chuàng)新增長，后者相對較為穩(wěn)定。

在化學(xué)相關(guān)的創(chuàng)新領(lǐng)域中，和材料、冶金和表面化學(xué)有關(guān)的發(fā)展最為普遍，與表面化學(xué)相關(guān)的申請?jiān)诮陙沓霈F(xiàn)激增。

圖4：三十年趨勢 - 按行業(yè)分類的專利家族數(shù)量 - 制氫

氫氣的彩虹色

目前，有許多不同的方法和來源可以生產(chǎn)氫氣，包括水、生物質(zhì)或化石燃料（天然氣、煤炭、石油）。在工業(yè)界中，據(jù)能源來源和生產(chǎn)方法的不同，氫氣被賦予不同的顏色。

圖5：制氫的類型

當(dāng)前，灰氫的生產(chǎn)量比其他任何顏色的都要多。隨著全球能源轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，那些帶CO2的顏色的氫，將在實(shí)現(xiàn)零凈排放中發(fā)揮重要作用。到2050年，氫氣需求可能超過660 Mt H2/年，能源供應(yīng)商有必要生產(chǎn)更多綠氫。

綠氫

自2016年以來，與綠氫相關(guān)的專利申請數(shù)量每年都有顯著增加。未來十年，可以預(yù)期專利申請數(shù)量的上升趨勢將繼續(xù)存在，特別是在接近2030年時(shí)。

圖6：三十年趨勢 - 全球綠氫生產(chǎn)優(yōu)先專利申請

與電解技術(shù)創(chuàng)新相關(guān)的三個(gè)主要領(lǐng)域是：

堿性電解 - 使用堿性介質(zhì)在電極間傳輸羥根離子。常用介質(zhì)為液態(tài)（如氫氧化鈉或氫氧化鉀），新型固體堿性交換膜也正在研發(fā)中。

聚合物電解質(zhì)膜(PEM) - 一種固體特殊塑料，可將陽極產(chǎn)生的質(zhì)子（通過水還原）傳輸至陰極，與電路中的電子結(jié)合產(chǎn)生氫氣。

固態(tài)氧化物電解 - 一種固態(tài)氧化物陶瓷電解質(zhì)，在高溫下可選擇性地導(dǎo)電陰離子氧(O2-)。

數(shù)據(jù)顯示，與這三種技術(shù)相關(guān)的專利申請正在增加，而堿性電解和PEM解決方案的增長速度最快（見圖7）。

圖7：二十五年趨勢 - 全球電解方法的優(yōu)先專利申請 - 制氫

（氫）儲(chǔ)存與基礎(chǔ)設(shè)施

作為能量存儲(chǔ)介質(zhì)，有效的氫氣儲(chǔ)存和分配技術(shù)對于發(fā)揮氫氣潛力至關(guān)重要。氫氣在質(zhì)量能量密度方面是最高的，但由于其低環(huán)境溫度密度，導(dǎo)致氫氣在運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面存在困難。

提高能源效率、保持氫氣純度、限制氫氣泄漏以及降低成本，是氫氣儲(chǔ)存與分配領(lǐng)域的面臨的主要挑戰(zhàn)。

氫氣儲(chǔ)存的創(chuàng)新趨勢與制氫密切相關(guān)，這兩種技術(shù)在齊頭并進(jìn)的發(fā)展。

圖8：三十年趨勢 - 全球氫氣儲(chǔ)存的優(yōu)先專利申請

與制氫一樣，關(guān)于儲(chǔ)存與分配的數(shù)據(jù)顯示最多的新專利申請來自韓國、美國、日本、歐洲和中國。

圖9：十年趨勢 - 按地區(qū)的全球氫氣儲(chǔ)存與分配的優(yōu)先專利申請

氫氣應(yīng)用

氫氣作為制造工業(yè)原料的應(yīng)用需求很高。到目前為止，僅中國就占據(jù)全球相當(dāng)一部分的氨和甲醇生產(chǎn)，印度對鐵和鋼鐵制造有著巨大的需求。亞太地區(qū)占據(jù)了全球一半的工業(yè)氫氣消耗，這些氫氣大部分是通過碳排放方法產(chǎn)生的灰氫和棕氫氣。使用綠氫可減少以上行業(yè)的碳排放。

氫氣應(yīng)用的創(chuàng)新不僅集中于工業(yè)減碳，也包括家庭使用。英國政府提出了將氫氣納入現(xiàn)有燃?xì)忮仩t的提議，要求從2026年開始，所有家庭鍋爐都必須準(zhǔn)備好使用氫氣。為確保氫氣轉(zhuǎn)換的有效和安全，并為消費(fèi)者提供保障，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。燃料電池的車輛應(yīng)用是另一個(gè)受歡迎的領(lǐng)域，氫氣作為燃料的應(yīng)用正逐漸增多。燃料電池通常采用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)技術(shù)結(jié)合車載氫氣儲(chǔ)存。