【科技参考】国际能源署发布氢能专利报告

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2023年1月，国际能源署（IEA）发布《氢能专利——为了清洁能源的未来》报告指出，全球能源消费模式的迅速变化将支持向清洁能源的成功过渡，而技术则是这一过程的关键，在扩大对氢能的使用方面更是如此。报告基于2001—2020年的国际专利族数据，对氢能价值链创新的全球趋势作出分析，涵盖氢供应、储存、分配、转化和终端应用等全链条。分析显示，全球氢专利申请由欧盟和日本主导，中国和韩国增长势头迅猛。

一

氢能专利综述

2001—2020年，欧盟氢专利申请量保持稳步增长，而日本在2006—2015年的氢专利申请量停滞不前，随后几年快速增长。过去十年，日本的氢专利申请增长速度超过欧盟，2011—2020年二者的复合增长率分别为6.2%和4.5%。相比之下，美国在2011年是氢领域的主要创新者，2015年之后其申请量显著下降，到2020年已远远落后欧盟和日本。此外，来自中国和韩国的氢专利申请数量仍然不多，但两国在2011—2020年逐渐发力，年均增长率分别达到15.2%和12.2%。

二

制氢相关专利趋势

对过去20年制氢技术专利申请趋势的分析表明，制氢方法从传统的碳密集型方法转变为具有脱碳制氢潜力的新技术。具体而言，自2001年以来，制氢技术专利申请的增长主要由电解技术的创新驱动，而化石燃料制氢的专利申请量在2007年达到峰值后，在过去十年持续减少（图1）。此外，利用生物质或垃圾制氢的专利活动在2007—2011年蓬勃发展，此后也显著下降。2010年前，水分解制氢的专利申请量逐年递增，此后保持相对稳定。

图1 制氢技术的专利申请量趋势

按国别来看（图2），2011—2020年，欧盟、美国和日本在大多数制氢技术方面处于领先地位。欧盟在天然气制氢方面占据主导，美国在其他化石燃料制氢和工业副产制氢领域处于领先地位，而日本在电解制氢领域居于榜首。

图2 制氢技术领域的各国/地区专利申请量占比

三

氢储存、分配和转化相关专利趋势

过去二十年，成熟的技术推动了越来越多创新成果的涌现。管道网络和相关辅助设备（如低温热泵）等分配基础设施的创新激发了高水平的专利申请活动。2020年，纯氢储存相关专利申请量以13%的复合增长率高速增长。2011—2020年，液氢储存和加氢领域的创新开始兴起，专利申请量的复合增长率同样高达13%。相比之下，寻找低排放氢基燃料（如合成甲烷、柴油或煤油）的替代方案以及在固体载体中储存氢气的相关专利申请量在下降（图3）。

图3 氢储存、分配和转化技术的专利申请量趋势

按国别来看（图4），欧盟在2011—2020年主导了氢储存和分配领域的大部分专利活动。欧盟在纯氢储存和运输技术方面表现出十分强大的领先优势，特别是在液氢储存（占比50%）、加氢（39%）和气态氢储存（38%）领域。美国在网络和设备(26%)、氢化物(26%)、氢基燃料(23%)和氢吸附(22%) 相关领域的专利活动作出重大贡献。而中国在氢储存和分配领域的专利数量相较欧盟、美国等仍有很大差距。

图4 氢储存、分配和转化领域的各国/地区专利申请量占比

四

氢能终端应用相关专利趋势

自2001年以来，氢能在汽车领域的专利申请量持续增长，年均增速达7%，并超过所有其他新兴氢应用领域专利申请量总和。对航空和航运领域而言，氢是长途运输的主要选择，随着近年来航空和航运领域脱碳压力的不断增加，过去十年氢能在航空领域专利申请量的年均增速高达15%，在航运领域的年均增速也达到8%。2020年，在钢铁冶炼、发电和建筑领域的氢能专利申请量低于2000—2015年平均水平。按国别来看，美国在航空、发电和生物燃料领域领先，日本在建筑和汽车领域领先，欧洲在航运、火车和钢铁冶炼领域领先（图5、图6）。

图5 氢能终端应用领域的专利申请量趋势

图6 氢能终端应用领域的各国/地区专利申请量占比

五

几点发现

1. 全球氢专利申请由欧盟和日本主导，美国在2011—2020年逐渐失去优势，中国和韩国的氢相关创新才刚刚出现在国际舞台（图7）。

图7 各国/地区在氢能各价值链的专利申请量占比和显性技术优势

2. 此前氢技术的创新由欧洲化学工业主导，但最新的氢专利主要来自汽车和化学行业内专注于电解和燃料电池技术的公司。

3. 虽然目前的制氢几乎完全基于化石燃料，但氢专利申请已出现了向替代性低排放方法的重大转变。这一转变预示着电解槽行业将迎来发展，而欧洲（含欧盟27国和其他欧洲国家）已经在制造电解槽方面获得优势。

4. 2001—2020年，以改进氢气储存以及氨和甲醇生产技术为目标的专利申请稳步增长，氢基燃料研发创新失去动力（图8）。

图8 氢气储存、氨和甲醇生产以及氢基燃料的专利申请量趋势

5. 尽管近年来全球在钢铁生产中使用氢领域取得了一定进展，但汽车领域内的氢专利数量仍远高于其他终端应用。然而，在氢基燃料的长途运输等应用中，各国尚未取得显著突破。

6. 申请专利是发展氢业务的初创企业筹集资金的基础，氢能领域的初创企业80%以上的后期投资都流向了已经提交专利申请的企业，这表明专利对于氢能领域初创公司极其重要。

7. 不同技术和地区在氢专利申请方面的不均衡趋势表明，各国正在采取和将要采取的积极政策行动有助于实现净零排放。

编译：中国科学技术信息研究所  郑思聪

审校：中国科学技术信息研究所  张丽娟

来源：《科技参考》2023年第10期

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