电解水制氢的五大创新领域

近日，欧洲专利局（EPO）和国际可再生能源署（IRENA）联合发布《专利洞察报告：电解水制氢技术创新趋势》，分析了近年来全球电解水制氢领域专利申请情况和此项技术的发展趋势。

推广氢能有助于应对气候变化并遏制全球变暖进程，多国正在加速发展氢能产业，为生产、存储和运输氢能投入大量资金。电解水制氢是氢能生产的关键技术之一。在理想情况下，电解水制氢的原材料成本低廉、供应充足，应当仅使用可再生的水资源和电力。目前，各国正在着力开发电解水制氢技术，以提高电解装置效率、降低制氢成本并扩大市场规模。

电解水制氢有望使氢能在全球能源转型进程中发挥关键作用。使用氢能，特别是绿氢替代化石燃料，一些能源强度较高的产业有望实现去碳化。

2017年，电解水制氢领域的专利申请数量首次超越化石燃料制氢专利申请数量。此后，化石燃料制氢相关专利申请数量逐年减少。这说明国际社会对推进电解水制氢技术发展已达成共识，各国为此都制定了相关战略。日本、美国、德国、法国和中国等国在电解水制氢领域处于领先地位。

要提高电解装置效率、降低电解水制氢成本，需要推进技术创新。近年来，电解水制氢5个子技术领域的专利申请情况呈现出不同的趋势。

1.电解槽结构和运行条件  

优化电解槽结构和运行条件以提高制氢效率的相关技术备受关注。高温高压的运行条件有助于提高电解装置的效率、增强耐用性并降低成本。2020年，高压电解槽技术专利的申请数量较2016年翻了一番。

日本在此项子技术领域处于领先地位，仅东芝、松下和本田3家企业的相关专利申请数量就占该领域国际专利数量的17%。

2.电催化剂

非贵金属电催化剂相关专利申请数量激增，说明研发重点正转向通过降低材料稀缺性减少电解水制氢成本。材料稀缺性是造成电解水制氢成本高昂的原因，也是此项技术推广的主要障碍，研究人员正在推动用非贵金属材料替代稀缺材料。

2015年以来，非贵金属电催化剂的国际专利数量稳步增加，有助于降低电催化剂材料成本。日本和美国在该领域最为活跃，两国在该领域的国际专利申请数量占比达42%。

3.电解槽隔膜

质子交换膜（PEM，又称聚合物电解质膜）专利申请最为活跃，该技术有助于增强电解槽的耐用性、延长使用寿命。使用更薄的膜可提高电解槽效率、减少耗电量，2010~2017年此项专利数量申请迅速增长。

4.电解槽电堆

对电极、双极板和多孔输送层等元件进行改造可降低电解槽成本。电解槽电堆单位面积电流密度越高，使用寿命越长、各组件成本越低，整体成本越低。2019~2020年，此项专利申请数量有所减少，其原因可能是该技术在减小电堆体积方面的进步空间已很小。

5.光电解

许多研究者正积极开发光电解技术，2015~2017年，光电解相关专利申请量大幅增加。光电解技术可一步完成发电和制氢两项工作，有助于大幅降低制氢成本，但目前该技术尚不成熟，制氢效率不高。

电解水制氢技术研发的热度将持续，这有助于进一步降低电解装置成本并提高制氢效率和产能。技术创新将使绿氢更具成本竞争力，让氢能在去碳化进程和能源转型中发挥更大作用。