电解水制氢技术哪个国家强？中国处于什么位置

撰文 | 小博

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第199篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：根据国际可再生能源署的报告，自2005年以来，氢气生产技术的专利申请平均每年增长18%，这一速度远远高于能源领域的大多数技术。欧洲和日本领先，占水电解技术所有五个子技术领域申请的国际专利总数的50%以上。中国的国际专利在五个技术领域中仅占约4%，但中国在纯国内专利申请的数量上占主导地位。

氢能被很多国家确定为可持续未来所需的清洁能源组合的重要组成部分。可再生能源制氢成本下降，加上减少温室气体排放的紧迫性，为绿氢提供了前所未有的政治和商业动力。

根据氢气脱碳情况，一般分为灰色（基于化石燃料）、蓝色（基于化石燃料的生产，并带有碳捕获、利用和储存）和绿氢（基于可再生能源）。

有很多国际权威机构的报告显示，通过可再生能源电解水生产的绿氢（也称为可再生氢）是绿色能源转型的核心，预计将在未来几年迅速增长，将是一个有数万亿规模的市场。除了目前常规的应用场景，氢能未来还可以在高耗能制造业、卡车运输、航空、航运和供暖等领域应用。

图说：氢能生产技术与不同来源氢气的占比，绿氢占比规模依然很小。

来源：环球零碳

绿氢大规模的需求增长，也促进了电解水制绿氢技术的蓬勃发展，而电解技术的创新，又加速降低绿氢生产的成本。

根据国际可再生能源机构（IRENA）的预测，如果全球要实现将温度控制在1.5°C情景内，到2050年，基于可再生能源的氢气及其衍生物将占最终能源消费的12%。一些国家已经在其国家氢能战略中明确列入了电解槽产能部署目标。因此，为了满足对绿氢不断增长的需求，需要对电解槽市场进行大规模扩张。

绿氢生产除了需要便宜的绿电，降低电解槽系统成本对于提高绿氢的竞争力也至关重要，而技术创新则是实现这一目标的关键。

据IRENA称，通过改进电解槽的设计和建造、规模经济、用来源丰富的金属替代稀缺材料、提高运营效率和灵活性以及与1.5˚C气候目标相一致的高技术部署等关键战略，这些因素组合在一起，使得电解槽工厂的投资成本在短期内可以降低40%，在长期内可以降低80%。

5月中旬，IRENA和欧洲专利局（EPO）的联合发布了一份电解槽制氢创新趋势的专利洞察报告，利用专利统计数据揭示了电解水制绿氢领域的趋势和活力。

报告显示，自2005年以来，氢气生产技术的专利申请平均每年增长18%，这一速度远远高于能源领域的大多数技术。2016年，水电解技术的国际专利家族数量超过了与从化石资源生产氢气有关的专利数量（见下图）。

图说：该图显示了 2005-2020 年所有专利家族（左侧）和国际专利家族（右侧）的增长趋势，比较了基于水电解的制氢工艺与使用液态或固态烃原料的工艺专利情况。

来源：IRENA

本报告还分析了与水电解制氢有关的五项子技术，这些技术对降低电解槽的成本非常重要（见下图）。

图说：这是不同国家与地区（分别是欧洲、日本、中国、美国、韩国、其他地区）与电解制氢五个子技术领域相关的国际专利国家份额的汇总图。其中国家是指专利申请人所在的国家。欧洲将欧洲专利组织的 38 个成员国组合在一起。每列顶部的粗体和括号中的数字是该技术领域的国际专利申请总数。

来源：IRENA

—电解槽运行条件和结构：需要在更高的温度和压力下的运行，以提高电解器的效率，同时不影响膜的耐久性和性能，同时也能降低成本。

—电催化剂材料：稀缺的材料是电解槽成本和扩大规模的主要障碍，需要有替代这种材料的解决方案，例如使用非贵金属材料。

—分离器（隔膜、膜）：减少膜的厚度可以提高效率，这反过来可以减少电力消耗。

—电解器（堆栈）的可堆叠性：电极、双极板和多孔传输层可以大大增加堆栈的成本。这些部件的改进，包括它们的制造，可以降低资本成本。

—光电解：光电解法可以将电能和氢气的生产一步到位，潜在地带来成本效益，同时解决目前技术成熟度和途径效率较低的挑战。

一些重要的发现包括：2018年，基于更便宜的矿物电催化剂的发明专利，超过了基于更传统但昂贵的电催化剂（使用例如金、银、铂或其他贵金属）的发明数量，证实了对更便宜的替代品的推动。

光电解，即利用光作为能源将水分成氢气和氧气，是一项强大的新兴技术，其国际专利家族的数量高于平均水平，其中约50%是由大学申请的。

从国家和地区来看，欧洲和日本领先，占所有五个子技术领域申请的国际专利总数的50%以上。欧洲在电解槽（堆栈）的可堆叠性（占该领域专利总数的41%）、电催化剂材料（34%）和电解槽运行条件和结构（32%）方面领先，而日本在光电解（39%）和分离器（隔膜、膜）（36%）方面排名第一。

美国在所有技术领域的平均比例为18%，而韩国在分离器（隔膜、膜）方面的份额最高（16%），而其他类别的平均比例为7%。

中国的国际专利在五个技术领域中仅占约4%，但中国在纯国内专利申请的数量上占主导地位。

在电解槽领域观察到的巨大势头预计将继续下去，并刺激未来的创新。事实上，专利申请的上升趋势预示着更多的专利将很快到来，以满足对新解决方案的迫切需求，在提高技术效率和生产能力的同时降低电解槽的成本。

对绿氢的需求从未如此之大，而电解槽技术的重大创新仍然需要发生，以使该技术在工业层面上可以投入市场。

在不久的将来，将鼓励创新。电解水制氢领域的创新是一个被广泛认可的战略，使氢气生产在成本上与其他技术相比具有竞争力，并尽可能实现绿色，从而帮助解决诸如脱碳和加速能源转型的挑战。

附上报告原文

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参考资料：

[1]https://irena.org/publications/2022/May/Innovation-Trends-in-Electrolysers-for-Hydrogen-Production

[2]https://www.smart-energy.com/renewable-energy/patent-activity-in-electrolysis-technology-innovation-driving-cost-reduction-for-green-hydrogen/

[3]https://www.irena.org/publications/2022/Jan/Geopolitics-of-the-Energy-Transformation-Hydrogen

[4]https://www.irena.org/publications/2019/Sep/Hydrogen-A-renewable-energy-perspective

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