氢能技术正以惊人的速度发展，欧洲实体获得15%投资

文章要点：

氢能技术正在以惊人的速度发展。 为了充分利用氢作为全球清洁、可持续能源和原料的来源，越来越多的老牌和新兴企业正在克服技术挑战和限制。

降低成本、提高效率并增强氢生命周期安全性的氢将在全球能源中发挥关键作用。

德国、日本、美国和韩国是氢技术创新的领导者。

氢能技术多元化：现有专利涵盖多种制氢技术，包括绿氢领域的碱性、聚合物电解质膜（PEM）和固体氧化物电解等，均呈现增长趋势。

储氢专利申请趋势与生产相关且发展同步。

氢仍然被誉为向绿色能源转变的关键部分。 可通过清洁能源大规模生产，为工业提供更清洁的氢原料。 同时，氢气还可以用于清洁应用，例如氢燃料电动汽车。 最后一个应用可能是最著名的，因为氢燃料电池可以成为电动汽车的电源，有可能取代电化学电池。

2023年报告显示，全球已宣布超过1000个氢能项目提案，到2030年氢价值链投资额将达到3200亿美元。欧洲实体获得了这些投资的35%，使欧洲成为氢能项目提案的全球领导者。 拉丁美洲和北美实体获得了约 15% 的投资。 其中，超大型项目提案112个，其中可再生能源项目提案91个，低碳氢能项目提案21个。

氢在生产、储存和使用方面面临许多障碍。 消费者对氢的认识也是一个挑战，氢作为家庭能源尚未被公众广泛接受。 克服这些障碍至关重要。

氢气生产的创新

目前全球清洁氢产量还不到 1 Mt H/年。 根据目前的投资，到 2030 年，全球清洁氢供应量预计将达到 38 公吨氢气/年。国际能源署 (IEA) 指出，要到 2050 年实现零净排放目标，能源供应商必须每年生产 200 公吨清洁氢。到 2030 年。

（氢）专利申请始于 20 世纪 90 年代中期，当时冰岛宣布计划到 2030 年过渡到氢经济，壳牌成立了氢部门。 （氢能）专利申请量逐年稳定增长，直至2005年陷入停滞，2018年略有下降，但在2021年达到历史新高。（氢能）专利申请量预计将继续增长。

图1：三十年趋势-全球优先应用-制氢

按地区划分的申请

与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 - 按地区划分的应用数量 - 氢气产量

2019年IEA为G20发布《氢能的未来》专题报告时，只有法国、日本和韩国制定了氢能战略。 IEA在报告中将这些国家列为追赶氢能未来的创新先锋。 这也反映在全球专利申请数据中。

日本一直对发展氢能作为更清洁的替代能源感兴趣，并于21世纪初建成了世界上第一个加氢站，为燃料电池汽车提供氢气。 2004年，日本氢能相关专利申请激增，带动了全球专利申请数量的增长。

美国能源部（DOE）旨在加速创新，以实现更丰富、负担得起和可靠的清洁能源，并在未来十年内实现零碳排放目标。 美国能源部于 2021 年启动了首个 Shot 计划，旨在十年内将清洁氢的成本降低 80% 至每公斤 1 美元。 这可能会在未来几年推动美国氢技术的增长。

专利申请人

过去五年，独特专利申请者占总专利申请量的比例保持稳定，年均差异为35%，这表明制氢技术的创新并不完全由少数主要参与者主导，而是更为广泛。 事实上，数据显示新的创新者经常出现。

图 3：五年趋势 - 全球优先应用和逐年独特申请者 - 氢气生产

三菱、液化空气、丰田和东京燃气等大型跨国公司是全球氢气生产专利申请人最多的公司。 其他排名靠前的申请者包括专门的氢气生产初创公司，例如中国（阳光氢能）和韩国的公司。 过去十年中，顶级申请者的申请数量似乎有所波动，但趋势显示近期专利申请量有所增加。

目前，化学工业内的实体主导着氢气生产的创新。 与机电工程领域相比，化学相关制氢技术近年来呈现快速创新增长，且后者相对稳定。

在化学相关创新领域中，材料、冶金和表面化学相关的发展最为常见，近年来表面化学相关应用激增。

图 4：三十年趋势 - 按行业划分的专利族数量 - 氢气生产

氢的彩虹色

目前，有许多不同的方法和来源来生产氢气，包括水、生物质或化石燃料（天然气、煤炭、石油）。 在工业中，氢根据其能源来源和生产方法被赋予不同的颜色。

图 5：制氢类型

目前，产生的灰色氢比任何其他颜色的氢都多。 随着全球能源转型不断推进，具有CO2颜色的氢将在实现净零排放方面发挥重要作用。 到 2050 年，氢气需求量可能超过 660 吨氢气/年，因此能源供应商必须生产更多绿色氢气。

绿色氢

自2016年以来，与绿氢相关的专利申请数量每年都显着增加。未来十年，专利申请数量的上升趋势预计将持续下去，特别是在临近2030年的时候。

图6：三十年趋势——绿色制氢全球优先专利申请

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之间传输氢氧根离子。 常用的介质是液体（如氢氧化钠或氢氧化钾），新型固体碱性交换膜也正在开发中。

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（被水还原）传输到阴极，在阴极与电路中的电子结合产生氢气。

固体氧化物电解质 - 一种固体氧化物陶瓷电解质，可在高温下选择性传导阴离子氧 (O2-)。

数据显示，与这三项技术相关的专利申请不断增加，其中碱性电解和质子交换膜解决方案增长最快（见图7）。

图 7：二十五年趋势 - 全球电解方法优先专利申请 - 氢气生产

（氢）储存和基础设施

作为一种能源存储介质，高效的氢存储和分配技术对于发挥氢的潜力至关重要。 氢具有最高的质量能量密度，但由于其环境温度密度较低，运输和储存困难。

提高能源效率、保持氢气纯度、限制氢气泄漏和降低成本是氢气储存和分配的主要挑战。

储氢的创新趋势与氢气生产密切相关，两种技术正在携手发展。

图8：三十年趋势——储氢专利全球优先申请

与氢气生产一样，储存和分配数据显示，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 - 全球氢存储和分配优先专利申请（按地区）

氢气应用

作为制造业的原料，氢的需求量很大。 迄今为止，仅中国就在全球氨和甲醇产量中占据了相当大的份额，而印度对钢铁制造业有着巨大的需求。 亚太地区占世界工业氢消耗量的一半，其中大部分是通过碳排放方法生产的灰氢和棕氢。 使用绿色氢能可以减少上述行业的碳排放。

氢应用的创新不仅集中在工业减碳，还包括家庭使用。 英国政府提出将氢气纳入现有燃气锅炉的建议，要求从2026年起所有家用锅炉都准备好使用氢气。为了确保氢气转换有效和安全，并为消费者提供保护，需要技术创新。 燃料电池的车辆应用是另一个热门领域，并且氢作为燃料的使用正在增加。 燃料电池通常使用聚合物电解质膜（PEM）技术与车载储氢相结合。