文章要點：

氫能技術正以驚人的速度發展。為了充分利用氫氣作為全球清潔可持續能源和原料來源，越來越多的老牌和新興參與者正克服技術挑戰和限制。

降低成本、提高效率和增強氫氣生命周期安全的氫氣將在全球能源源頭中發揮關鍵作用。

德國、日本、美國和韓國是氫能技術創新的領導者。

氫能技術多樣性：現有專利涵蓋多種制氫技術，包括僅綠氫領域的堿性、聚合物電解膜(PEM)和固體氧化物電解，均呈現出增長趨勢。

氫氣儲存專利申請的趨勢與生產相關，并同時發展。

氫氣作為轉向綠色能源的關鍵部分仍備受推崇。它可以通過清潔能源大規模生產，為工業提供更清潔的氫氣原料。同時，氫氣還可以用于清潔應用，例如氫燃料電動汽車。最后這一應用可能是最為人熟知的，因為氫燃料電池可以成為電動汽車的動力來源，可能替代電化學電池。

《Hydrogen Insights 2023》的報告顯示，全球已宣布1,000多個氫能項目提案，到2030年向氫氣價值鏈投資3,200億美元。歐洲的實體獲得了其中35%的投資，確立了歐洲作為全球氫能項目提案的領導者。拉丁美洲和北美實體獲得了約15%的投資。其中，有112個巨型規模的項目提案，91個是可再生能源，21個是低碳氫。

氫氣在生產、儲存和使用方面面臨著許多障礙。消費者對氫氣的認知也是挑戰，作為家庭能源來源的氫氣并未得到公眾的廣泛接受。克服這些障礙將至關重要。

制氫方面的創新

全球清潔氫氣的生產目前不到1 Mt H/年。據目前的投資，到2030年全球清潔氫供應預計將達到38 Mt H2/年。國際能源署（IEA）指出，為在2050年實現零凈排放目標，能源供應商必須到2030年生產每年達到200 Mt H2的清潔氫氣。

（氫能）專利申請始于1990年代中期，當時冰島宣布計劃在2030年之前轉型成為氫經濟，并且殼牌成立了氫能部門。（氫能）專利申請數量逐年穩步增長，直至2005年停滯，然后在2018年略微下降，但在2021年達到了歷史最高水平。預計（氫能）專利申請數量將持續增長。

圖1：三十年趨勢 - 全球優先申請 - 制氫

各地區的申請

和制氫創新相關的新專利申請數量最多的地區是日本，其次是韓國、美國、歐洲和中國。

圖2：十年趨勢 - 各地區的申請數量 - 制氫

IEA在2019年為G20發布了關于《氫能的未來》的特別報告時，只有法國、日本和韓國有氫能戰略，IEA在報告中將這幾個國家列為追趕氫能未來的創新先驅，這也反映在全球專利申請數據中。

日本一直對開發氫能作為更清潔的替代能源感興趣，在21世紀初打造了世界上首個為燃料電池汽車提供氫氣的加氫站。2004年日本氫能相關專利申請激增，對全球專利申請數量的增加做出了貢獻。

美國能源部(DOE)旨在加速創新，實現更豐富、更實惠和更可靠的清潔能源，在未來十年內實現零碳排放目標。DOE在2021年設立了首個Energy Earthshot – Hydrogen Shot項目計劃，旨在在十年內將清潔氫成本降低80%，至每公斤1美元。這可能會在未來幾年推動美國氫氣技術的增長。

專利申請人

過去五年，獨特專利申請人與總專利申請數量的比例保持穩定，每年平均差異為35%，表明制氫技術的創新不完全由少數主要參與者主導，而是更為普遍。實際上，數據顯示經常會出現新創新者。

圖3：五年趨勢 - 全球優先申請和獨特申請人（按年份） - 制氫

大型跨國公司，三菱、液空、豐田和東京燃氣，是制氫領域的頂尖的全球專利申請人。其他高申請者包括專業的制氫初創公司，如中國的Sungrow Hydrogen（陽光氫能）和韓國的Kwatercraft。過去十年中，頂級申請者的申請數量似乎有所波動，但趨勢顯示最近的專利申請數量有所增加。

目前，化工行業中的實體在制氫創新方面占主導地位。和電氣和機械工程領域相比，化學相關的制氫技術近年來呈現出快速創新增長，后者相對較為穩定。

在化學相關的創新領域中，和材料、冶金和表面化學有關的發展最為普遍，與表面化學相關的申請在近年來出現激增。

圖4：三十年趨勢 - 按行業分類的專利家族數量 - 制氫

氫氣的彩虹色

目前，有許多不同的方法和來源可以生產氫氣，包括水、生物質或化石燃料（天然氣、煤炭、石油）。在工業界中，據能源來源和生產方法的不同，氫氣被賦予不同的顏色。

圖5：制氫的類型

當前，灰氫的生產量比其他任何顏色的都要多。隨著全球能源轉型的不斷推進，那些帶CO2的顏色的氫，將在實現零凈排放中發揮重要作用。到2050年，氫氣需求可能超過660 Mt H2/年，能源供應商有必要生產更多綠氫。

綠氫

自2016年以來，與綠氫相關的專利申請數量每年都有顯著增加。未來十年，可以預期專利申請數量的上升趨勢將繼續存在，特別是在接近2030年時。

圖6：三十年趨勢 - 全球綠氫生產優先專利申請

與電解技術創新相關的三個主要領域是：

堿性電解 - 使用堿性介質在電極間傳輸羥根離子。常用介質為液態（如氫氧化鈉或氫氧化鉀），新型固體堿性交換膜也正在研發中。

聚合物電解質膜(PEM) - 一種固體特殊塑料，可將陽極產生的質子（通過水還原）傳輸至陰極，與電路中的電子結合產生氫氣。

固態氧化物電解 - 一種固態氧化物陶瓷電解質，在高溫下可選擇性地導電陰離子氧(O2-)。

數據顯示，與這三種技術相關的專利申請正在增加，而堿性電解和PEM解決方案的增長速度最快（見圖7）。

圖7：二十五年趨勢 - 全球電解方法的優先專利申請 - 制氫

（氫）儲存與基礎設施

作為能量存儲介質，有效的氫氣儲存和分配技術對于發揮氫氣潛力至關重要。氫氣在質量能量密度方面是最高的，但由于其低環境溫度密度，導致氫氣在運輸和儲存方面存在困難。

提高能源效率、保持氫氣純度、限制氫氣泄漏以及降低成本，是氫氣儲存與分配領域的面臨的主要挑戰。

氫氣儲存的創新趨勢與制氫密切相關，這兩種技術在齊頭并進的發展。

圖8：三十年趨勢 - 全球氫氣儲存的優先專利申請

與制氫一樣，關于儲存與分配的數據顯示最多的新專利申請來自韓國、美國、日本、歐洲和中國。

圖9：十年趨勢 - 按地區的全球氫氣儲存與分配的優先專利申請

氫氣應用

氫氣作為制造工業原料的應用需求很高。到目前為止，僅中國就占據全球相當一部分的氨和甲醇生產，印度對鐵和鋼鐵制造有著巨大的需求。亞太地區占據了全球一半的工業氫氣消耗，這些氫氣大部分是通過碳排放方法產生的灰氫和棕氫氣。使用綠氫可減少以上行業的碳排放。

氫氣應用的創新不僅集中于工業減碳，也包括家庭使用。英國政府提出了將氫氣納入現有燃氣鍋爐的提議，要求從2026年開始，所有家庭鍋爐都必須準備好使用氫氣。為確保氫氣轉換的有效和安全，并為消費者提供保障，需要進行技術創新。燃料電池的車輛應用是另一個受歡迎的領域，氫氣作為燃料的應用正逐漸增多。燃料電池通常采用聚合物電解質膜(PEM)技術結合車載氫氣儲存。