2022年5月，歐洲專利局（EPO）和國際可再生能源署（IRENA）聯(lián)合發(fā)布《專利洞察報告：制氫電解槽創(chuàng)新趨勢》（Patent Insight Report: Innovation Trends in Electrolysers for Hydrogen Production）（以下簡稱“報告”），該報告研究分析了2005至2020年用于水電解生產氫氣的電解槽領域的專利申請狀況和此項技術的發(fā)展趨勢。該報告的主要發(fā)現(xiàn)之一是自 2005 年以來制氫技術的專利申請數量平均每年增長 18%。

 

該報告追蹤了2005-2020年專利申請情況，部分結論如下：

 

2016 年，水電解技術的同族專利數量超過了從化石資源（例如固體或液體煤和油基氫源）制氫相關的專利數量。

 

2018 年，基于更便宜礦物的電催化劑的發(fā)明數量超過了基于更傳統(tǒng)但更昂貴的電催化劑（使用金、銀、鉑或其他貴金屬）的發(fā)明數量，證實了對更便宜替代品的推動。這種趨勢在中國專利申請的激增中得到明顯體現(xiàn)。

 

光電解是一項很有前景的新興技術，可以將電力和氫氣生產集成在一個步驟中，從而有可能降低生產成本。報告指出，該領域的國際專利家族數量高于平均水平，50%的該領域專利申請人是高校。

 

現(xiàn)在世界對清潔能源的需求十分強烈。盡管專利申請量急劇增加，但該報告強調，仍需要對電解槽技術進行重大創(chuàng)新，以進一步降低其成本以進入工業(yè)應用。

 

電解水制氫的五大創(chuàng)新領域

 

2016年，電解水制氫領域的專利申請數量首次超越化石燃料制氫專利申請數量。此后，化石燃料制氫相關專利申請數量逐年減少。這說明國際社會對推進電解水制氫技術發(fā)展已達成共識，各國為此都制定了相關戰(zhàn)略。日本、美國、德國、法國和中國等國在電解水制氫領域處于領先地位。

 

要提高電解裝置效率、降低電解水制氫成本，需要推進技術創(chuàng)新。近年來，電解水制氫5個子技術領域的專利申請情況呈現(xiàn)出不同的趨勢。

 

圖 不同國家與地區(qū)（分別是歐洲、日本、中國、美國、韓國、其他地區(qū)）與電解制氫五個子技術領域相關的國際專利國家份額的匯總圖。其中國家是指專利申請人所在的國家。歐洲將歐洲專利組織的 38 個成員國組合在一起。每列頂部的粗體和括號中的數字是該技術領域的國際專利申請總數。圖源IRENA

 

1.電解槽結構和運行條件

 

優(yōu)化電解槽結構和運行條件以提高制氫效率的相關技術備受關注。高溫高壓的運行條件有助于提高電解裝置的效率、增強耐用性并降低成本。2020年，高壓電解槽技術專利的申請數量較2016年翻了一番。

 

日本在此項子技術領域處于領先地位，僅東芝、松下和本田3家企業(yè)的相關專利申請數量就占該領域國際專利數量的17%。

 

2.電催化劑

 

非貴金屬電催化劑相關專利申請數量激增，說明研發(fā)重點正轉向通過降低材料稀缺性減少電解水制氫成本。材料稀缺性是造成電解水制氫成本高昂的原因，也是此項技術推廣的主要障礙，研究人員正在推動用非貴金屬材料替代稀缺材料。

 

2015年以來，非貴金屬電催化劑的國際專利數量穩(wěn)步增加，有助于降低電催化劑材料成本。日本和美國在該領域最為活躍，兩國在該領域的國際專利申請數量占比達42%。

 

3.電解槽隔膜

 

質子交換膜（PEM，又稱聚合物電解質膜）專利申請最為活躍，該技術有助于增強電解槽的耐用性、延長使用壽命。使用更薄的膜可提高電解槽效率、減少耗電量，2010——2017年此項專利數量申請迅速增長。

 

4.電解槽電堆

 

對電極、雙極板和多孔輸送層等元件進行改造可降低電解槽成本。電解槽電堆單位面積電流密度越高，使用壽命越長、各組件成本越低，整體成本越低。2019——2020年，此項專利申請數量有所減少，其原因可能是該技術在減小電堆體積方面的進步空間已很小。

 

5.光電解

 

許多研究者正積極開發(fā)光電解技術，2015——2017年，光電解相關專利申請量大幅增加。光電解技術可一步完成發(fā)電和制氫兩項工作，有助于大幅降低制氫成本，但目前該技術尚不成熟，制氫效率不高。

 

電解水制氫技術研發(fā)的熱度將持續(xù)，這有助于進一步降低電解裝置成本并提高制氫效率和產能。技術創(chuàng)新將使綠氫更具成本競爭力，讓氫能在去碳化進程和能源轉型中發(fā)揮更大作用。

 

中國專利專注國內市場日本國際專利申請領先

 

2017年，電解水制氫相關專利申請數量超過化石燃料制氫，此后，天然氣制氫相關專利數量逐年減少。這說明當前氫能技術研發(fā)的重點已轉向電解水制氫。這是由于電解水制氫使用的是可再生能源生產的電力，比非可再生能源制氫能耗更低。

 

 

圖 2005-2020年期間各國電解水制氫技術專利申請數量，數據資料來源報告

 

如圖所示，電解水制氫相關專利數量增長主要來自中國，中國申請人主要關注國內市場，中國申請的相關專利中僅3%為國際專利。從專利申請總數來看，排在中國之后的依次是日本、韓國、美國、德國和法國。歐盟此前推出了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，將綠氫作為發(fā)展的重點，歐洲國家專利申請數量也居于前列。

 

從國際專利申請數量來看，日本國際專利數量排在首位，之后為美國和德國，這3個國家2005——2020年電解水制氫專利申請數量占國際專利申請總數的52%。中國雖然專注于國內市場，但是近年來國際專利申請數量逐年增加，而日本的國際專利申請數量有所減少，特別是近兩年減少的勢頭更明顯。2018——2020年，日本申請的國際專利數量逐年減少，而中國的國際專利申請數量在3年間增長了38%。

 

推廣電解水制氫需考慮用水用地成本

 

綠氫生產涉及兩大關鍵要素，一是水，二是可再生能源發(fā)電。國際能源署（IEA）認為，目前電解水制氫只占全球氫能產能的2%左右，但該技術取代化石燃料制氫的潛力很大。

 

假設當前全部氫能需求均由電解水制氫技術滿足，那么制氫需要的電力將達3600太瓦時，需要的水資源將達6.17億立方米。這一電力需求已超過歐盟的年發(fā)電量，而其用水需求也達到目前全球能源產業(yè)用水總量的1.3%，相當于目前天然氣制氫產業(yè)耗水量的兩倍左右。

 

從理想情況來看，電解水制氫技術相比其他制氫方式消耗的水資源更少。如果僅考慮化學反應，使用電解水制氫，每千克氫最少消耗9千克水；使用天然氣制氫配合CCUS（碳捕集、利用與封存）技術，每千克氫需消耗13——18千克水；煤氣化制氫每千克氫需消耗40——86千克水，具體取決于煤礦開采的耗水量。

 

然而，考慮到目前電解水制氫工藝效率低和水的脫礦處理，實際上，每生產1千克氫需消耗約20千克水。一套1吉瓦的大型電解裝置以75%的效率每年運行8000小時（約11個月），每年可生產15噸氫，根據每千克氫消耗20千克水計算，則將消耗300萬噸水，這相當于一座7萬人口小城的用水量。

 

如果利用海水淡化技術，那么即便在水資源緊缺的地區(qū)大規(guī)模推廣電解水制氫也是可行的，水資源就不會成為發(fā)展電解水制氫的瓶頸。考慮到設備可能被腐蝕，且氯會影響電解槽的使用壽命，因此水電解制氫對水的純度要求較高。海水淡化反滲透處理技術每生產1立方米的淡水耗電3——4千瓦時，這對電解水制氫的總成本影響很小，具體而言就是將每千克氫的生產成本提高1——2美分。

 

就土地占用而言，據IRENA估算，1000吉瓦水電解裝置占地面積相當于美國紐約曼哈頓，這種大型電解裝置的裝機容量密度接近7500兆瓦/平方千米，是陸地風電裝機容量密度5兆瓦/平方千米的1500倍。也就是說，要使用可再生能源電解水制綠氫，風電和太陽能發(fā)電都會占用大量的土地，而電解裝置本身占地面積相對較小。

 

電解水制氫遭遇關鍵材料供應的挑戰(zhàn)

 

電解水制氫是在直流電下將水分子分解為氫氣和氧氣，分別在陰、陽極析出。電解水制氫主要有3種技術路線：堿性電解（AWE）、質子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解。

 

目前，堿性電解水制氫技術最為成熟、成本最低，更具經濟性，已被大規(guī)模應用。固體氧化物電解水制氫目前以技術研究為主，尚未實現(xiàn)商業(yè)化。PEM電解水制氫技術已實現(xiàn)小規(guī)模應用，且適應可再能源發(fā)電的波動性，效率較高，發(fā)展前景好。

 

PEM電解裝置相比于堿性電解裝置的優(yōu)勢，包括操作更為靈活、輸出壓力較高、尺寸更小等，但其投資成本較高，且使用壽命較短。PEM電解裝置使用的材料成本高，因此前期投入高，這是其推廣的一大障礙。

 

PEM電解裝置的雙極板使用鍍金或鍍鉑的鈦材料，電堆核心也要使用稀有金屬。考慮到陽極側容易氧化，為增強耐用性，還要使用銥這種地球上最稀有的金屬。陰極側常使用鉑，不過鉭有望成為替代材料。

 

電池單元使用的稀有金屬占PEM電解系統(tǒng)整體成本的近10%，稀有金屬已成為推廣PEM電解技術的瓶頸，其原因不是稀有金屬成本高，而是因為供應鏈局限性較大。

 

目前，全球鉑金屬的年產量約為200噸，通過回收汽車和電氣設備使用的鉑可增加約20%的產量。假設全球所有的鉑都用于電解水制氫裝置，那么未來10年全球可再部署2000吉瓦的電解裝置。假設電解裝置的使用壽命為10年，到期后所有退役電解槽使用的鉑都能回收再用于電解水制氫，那么到2030年全球可部署4000吉瓦的電解裝置。今后幾年內有望通過技術創(chuàng)新減少PEM電解裝置的鉑金屬用量，因此鉑應該不會成為電解水制氫技術的瓶頸。

 

不過，目前電解槽每千瓦裝機容量對應銥的用量為1——2.5克，而全球銥的年產能僅為7——7.5噸。按照目前的技術水平，全球銥產能只能支持每年增加10——12吉瓦的PEM電解槽。預計未來10年，銥的產能僅能支持30——75吉瓦的PEM電解裝置。

 

鑒于此，稀有金屬會嚴重影響PEM電解裝置的推廣部署和可再生能源制氫的發(fā)展。為避免關鍵材料供應短缺，還需要進一步創(chuàng)新以減少稀有材料的使用，并盡可能用價格低廉的常見材料來替代稀有金屬。