全球制氢&储氢专利申请达历史新高
文章要点：
氢能技术正以惊人的速度发展。为了充分利用氢气作为全球清洁可持续能源和原料来源，越来越多的老牌和新兴参与者正克服技术挑战和限制。
降低成本、提高效率和增强氢气生命周期安全的氢气将在全球能源源头中发挥关键作用。
德国、日本、美国和韩国是氢能技术创新的领导者。
氢能技术多样性：现有专利涵盖多种制氢技术，包括仅绿氢领域的碱性、聚合物电解膜(PEM)和固体氧化物电解，均呈现出增长趋势。
氢气储存专利申请的趋势与生产相关，并同时发展。
氢气作为转向绿色能源的关键部分仍备受推崇。它可以通过清洁能源大规模生产，为工业提供更清洁的氢气原料。同时，氢气还可以用于清洁应用，例如氢燃料电动汽车。最后这一应用可能是最为人熟知的，因为氢燃料电池可以成为电动汽车的动力来源，可能替代电化学电池。
《Hydrogen Insights 2023》的报告显示，全球已宣布1,000多个氢能项目提案，到2030年向氢气价值链投资3,200亿美元。欧洲的实体获得了其中35%的投资，确立了欧洲作为全球氢能项目提案的领导者。拉丁美洲和北美实体获得了约15%的投资。其中，有112个巨型规模的项目提案，91个是可再生能源，21个是低碳氢。
氢气在生产、储存和使用方面面临着许多障碍。消费者对氢气的认知也是挑战，作为家庭能源来源的氢气并未得到公众的广泛接受。克服这些障碍将至关重要。
制氢方面的创新
全球清洁氢气的生产目前不到1 Mt H/年。据目前的投资，到2030年全球清洁氢供应预计将达到38 Mt H2/年。国际能源署（IEA）指出，为在2050年实现零净排放目标，能源供应商必须到2030年生产每年达到200 Mt H2的清洁氢气。
（氢能）专利申请始于1990年代中期，当时冰岛宣布计划在2030年之前转型成为氢经济，并且壳牌成立了氢能部门。（氢能）专利申请数量逐年稳步增长，直至2005年停滞，然后在2018年略微下降，但在2021年达到了历史最高水平。预计（氢能）专利申请数量将持续增长。
图1：三十年趋势 - 全球优先申请 - 制氢
各地区的申请
和制氢创新相关的新专利申请数量最多的地区是日本，其次是韩国、美国、欧洲和中国。
图2：十年趋势 - 各地区的申请数量 - 制氢
IEA在2019年为G20发布了关于《氢能的未来》的特别报告时，只有法国、日本和韩国有氢能战略，IEA在报告中将这几个国家列为追赶氢能未来的创新先驱，这也反映在全球专利申请数据中。
日本一直对开发氢能作为更清洁的替代能源感兴趣，在21世纪初打造了世界上首个为燃料电池汽车提供氢气的加氢站。2004年日本氢能相关专利申请激增，对全球专利申请数量的增加做出了贡献。
美国能源部(DOE)旨在加速创新，实现更丰富、更实惠和更可靠的清洁能源，在未来十年内实现零碳排放目标。DOE在2021年设立了首个Energy Earthshot – Hydrogen Shot项目计划，旨在在十年内将清洁氢成本降低80%，至每公斤1美元。这可能会在未来几年推动美国氢气技术的增长。
专利申请人
过去五年，独特专利申请人与总专利申请数量的比例保持稳定，每年平均差异为35%，表明制氢技术的创新不完全由少数主要参与者主导，而是更为普遍。实际上，数据显示经常会出现新创新者。
图3：五年趋势 - 全球优先申请和独特申请人（按年份） - 制氢
大型跨国公司，三菱、液空、丰田和东京燃气，是制氢领域的顶尖的全球专利申请人。其他高申请者包括专业的制氢初创公司，如中国的Sungrow Hydrogen（阳光氢能）和韩国的Kwatercraft。过去十年中，顶级申请者的申请数量似乎有所波动，但趋势显示最近的专利申请数量有所增加。
目前，化工行业中的实体在制氢创新方面占主导地位。和电气和机械工程领域相比，化学相关的制氢技术近年来呈现出快速创新增长，后者相对较为稳定。
在化学相关的创新领域中，和材料、冶金和表面化学有关的发展最为普遍，与表面化学相关的申请在近年来出现激增。
图4：三十年趋势 - 按行业分类的专利家族数量 - 制氢
氢气的彩虹色
目前，有许多不同的方法和来源可以生产氢气，包括水、生物质或化石燃料（天然气、煤炭、石油）。在工业界中，据能源来源和生产方法的不同，氢气被赋予不同的颜色。
图5：制氢的类型
当前，灰氢的生产量比其他任何颜色的都要多。随着全球能源转型的不断推进，那些带CO2的颜色的氢，将在实现零净排放中发挥重要作用。到2050年，氢气需求可能超过660 Mt H2/年，能源供应商有必要生产更多绿氢。
绿氢
自2016年以来，与绿氢相关的专利申请数量每年都有显着增加。未来十年，可以预期专利申请数量的上升趋势将继续存在，特别是在接近2030年时。
图6：三十年趋势 - 全球绿氢生产优先专利申请
与电解技术创新相关的三个主要领域是：
碱性电解 - 使用碱性介质在电极间传输羟根离子。常用介质为液态（如氢氧化钠或氢氧化钾），新型固体碱性交换膜也正在研发中。
聚合物电解质膜(PEM) - 一种固体特殊塑料，可将阳极产生的质子（通过水还原）传输至阴极，与电路中的电子结合产生氢气。
固态氧化物电解 - 一种固态氧化物陶瓷电解质，在高温下可选择性地导电阴离子氧(O2-)。
数据显示，与这三种技术相关的专利申请正在增加，而碱性电解和PEM解决方案的增长速度最快（见图7）。
图7：二十五年趋势 - 全球电解方法的优先专利申请 - 制氢
（氢）储存与基础设施
作为能量存储介质，有效的氢气储存和分配技术对于发挥氢气潜力至关重要。氢气在质量能量密度方面是最高的，但由于其低环境温度密度，导致氢气在运输和储存方面存在困难。
提高能源效率、保持氢气纯度、限制氢气泄漏以及降低成本，是氢气储存与分配领域的面临的主要挑战。
氢气储存的创新趋势与制氢密切相关，这两种技术在齐头并进的发展。
图8：三十年趋势 - 全球氢气储存的优先专利申请
与制氢一样，关于储存与分配的数据显示最多的新专利申请来自韩国、美国、日本、欧洲和中国。
图9：十年趋势 - 按地区的全球氢气储存与分配的优先专利申请
氢气应用
氢气作为制造工业原料的应用需求很高。到目前为止，仅中国就占据全球相当一部分的氨和甲醇生产，印度对铁和钢铁制造有着巨大的需求。亚太地区占据了全球一半的工业氢气消耗，这些氢气大部分是通过碳排放方法产生的灰氢和棕氢气。使用绿氢可减少以上行业的碳排放。
氢气应用的创新不仅集中于工业减碳，也包括家庭使用。英国政府提出了将氢气纳入现有燃气锅炉的提议，要求从2026年开始，所有家庭锅炉都必须准备好使用氢气。为确保氢气转换的有效和安全，并为消费者提供保障，需要进行技术创新。燃料电池的车辆应用是另一个受欢迎的领域，氢气作为燃料的应用正逐渐增多。燃料电池通常采用聚合物电解质膜(PEM)技术结合车载氢气储存。
