制氢电解槽的创新趋势（下）

观察

在GW规模的设施能力下，提高电堆生产达到自动化生产（程度），通过规模化经济可以实现成本阶跃下降。

---2005-2011：专利申请数量几乎稳定。

---2012-2014：第一个上升期被注意到（2014年年申请数量是2012的三倍）。

---2015-2018：在2015稳步增长之后可以看到新的增长（2018专利数量是2016的两倍）。

---2019-2020：新申请的数量似乎开始减少。专利申请的最终减少可以解释为：该技术的紧凑型/节省空间优势和高时空产量的优势已经达到最佳。

在2005-2011，在无双极元件的堆型国际专利申请中，美国处于领先地位，其专利数量独占总专利数量的28%（图18左图）。英国位居第二，占总数的11%。在第一增长阶段（2012-2014）日本作为排名第一的国家出现（占总数的22%），其次是美国（20%）。因此在2014年，美国已经发展了其在这一堆型类别中国际专利的40%。日本只占14%。有趣的是，截止到2014年，英国在全部专利申请总数中排名第三，其专利申请数已经占其总数的68%，这意味着其对这一类别的贡献在近几年几乎停止。接下来从2015-2018，日本推动了无双极元件的堆型的专利申请数量的增加，其独占在这一阶段专利总数的41%，占该类别专利总数的57%。这一阶段日本保持持续年均50%的专利增长速度，美国年均增长率仅11%。在2015-2018，贡献率第二高的国家为德国，年均增长率63%。占堆叠类型专利总数的52%。和2018年相比，德国和日本在2019年新专利申请数量分别减少了9%和29%，决定了下降趋势。相比之下，法国和韩国在2019年比2018年申请了更多专利，并且在2019-2020年间开发了约34%的发明。

图18右图显示了堆叠型类别的顶级专利注册国（注，拥有专利司法管辖权的地区和国家，表明该专利在该国注册，但申请人不一定是本国人，译者注）。该排名与我们看到的各国专利申请的趋势相同，日本美国处于领先。值得注意的是中国在2015-2018年间对占其发明总数的73%的专利进行了保护。是继日本、美国德国和法国之后第五个最具针对性的国家保护。

在电堆技术前20名专利实体中，只有前三名在2005-2011年间至少申请了一个专利：法国替代能源和原子能委员会以及日本汽车和氯气工程师。在2012-2014年专利增长第一个上升趋势是出于对电解槽可堆叠性更高的兴趣，涉及更多的参与者。专利实体从2005-2011年间的55家增加到2012-2014年间的87个家，其中很多实体在以前并不活跃。与CEA一起，德国西门子公司注册了较多的新专利。2015-2018年间，堆叠类型的国际专利数量增长最大。在此期间，日本公司在开发新专利方面处于领先地位：前10大专利实体中的8家来自日本，平均每个都有10个国际申请。东芝以28项国际专利排名第一，其次是CEA（18项）和朝日化学工业（12项）。在过去两年，从2019到2020年，日本减少了新专利数量，表明对这类电解槽关注度较低。有趣的是，此前很活跃的四家日本公司（2015-2018）在2019至2020年期间没有申请任何专利。相比之下，欧洲公司在过去几年保持活跃，或者第一次活跃，例如丹麦哈姆斯公司，仅因近期的活动进入前20名。

3.2.5 光电解

使用半导体光电极的水光电解是一种可持续的和清洁的制氢方法。在光电化学电池中，阳光被用来作为分解水的能源。水在光电解过程中生成二氢（化学氢，离子态。对应的是分子氢H2，氢气。译者注），二氢可以储存，用来发电，甚至可以输送到燃料电池用来发电和供热。它也可以用于联合循环燃气轮机，可以产生大量的集中生产的电力或燃烧以运行内燃机。

已经确定三个不同的领域：使用光伏太阳能电池板的光电解；使用带有光吸收器的光电极的光电解和使用光电催化剂的光电解。就纯专利申请数量而言，光电解仍然是一个利基领域（市场术语，指非常专门化的领域，译者注），占所有水电解专利的6.5%，然而，37%(三个类别的平均值)是国际专利族，这突出了国际专利申请人在国内市场之外保护其专利的重要性。图20中，可以看到在2015-2017年间专利申请数量跳跃增长，尤其是在带光伏电源的光电解领域。

观察

光电解可能会使得电解槽比基于化石能源的电力更具有成本优势。在2015-2017年间，光电解专利大幅增加，尤其是在带有光伏电源的光电解领域。

日本和美国在2005-2014年间在光电解的三个类别都有活动。这两个国家贡献了三个类别平均数量的40%和16%。虽然美国67%的国际专利申请活动主要是在2005-2014年之间提交的，但之后来自日本的63%的专利申请是在2015-2020年之间提交的。除了这两个领先者，其他国家在积极参与光电解。有趣的是，沙特阿拉伯、荷兰和中国只是在2015至2020这几年才拥有国际专利。沙特阿拉伯在光电解领域排名第三，主要聚焦在带有光吸收器和电催化剂类以及光伏电源的光电极。荷兰在光电解方面排名第三，主要是带有光电催化剂的光电极类别。

在前沿技术领域及类别，日本在国际专利申请数量上排名第一（图22）。东芝在带有光吸收器和电催化剂类别和光伏电源类别中最为活跃，在第二个类别（带有光电催化剂的光电极）几乎没有活动。值得注意的是两家沙特阿拉伯大学在光电解领域活跃，即是法赫德国王石油矿物大学和阿卜杜拉国王科技大学。同样值得注意的是虽然50%的申请来自大学，但美国只有三所大学排名前15，而且至今也没有公司。就欧洲专利实体而言，前15名只有两家公司：荷兰沙比克环球公司和德国赢创德固赛公司。沙比克环球在与光电催化剂光电极相关的类别中排名第三，在光伏电源类别中也很活跃，而德国赢创德固赛只是在使用光吸收器和电催化剂的光电极以及光伏电源类别中活跃。
 

把适合海上作业的电解槽模块放置在靠近（或在）海上风电涡轮机的地方，是目前几个试点项目正在研究的一项技术。与风机（直流）的直流电连接和充足的水源供应似乎是一种理想的匹配。例如，这个想法可能代表了一种更好的散装制氢设计概念，而不是布置远离风力发电机的岸上远程电解槽。这提供了一个降低全链条总体成本和能源损耗的机会，因为每公里氢管道的成本低于电缆成本。这样一个系统的效率表明，通过消除交流整流的需求，有定义新标准的可能。海上制氢有可能实现创建零排放船队的环境目标。风电场可能成为船只的氢燃料补给站。专门结合制氢和海上风能的专利族数量约为80个。其中大多数专利申请人来自中国、日本和韩国。

4.结论

水电解这一化学过程，其使氢技术在全球能源转型中扮演重要角色成为可能。得益于氢技术，一些能源密集行业和部门可以脱碳，特别是氢能制备是由可再生能源驱动的情况下。从这个角度看，电解槽已成为向氢基能源系统转变的关键部件。本报告分析了电解槽专利趋势和统计数据，深入研究了受到高度关注的关键部件和组件。

在2016年，与水电解有关的专利活动超过了与液态烃原料有关的专利活动（特别是煤基和油基资源），随着时间推移，煤基和油基活动正在减少。这遵循了国家和国际战略，该战略就刺激水电解领域技术发展的必要性达成了全球共识。日本、美国、德国、法国和中国等国家在公司、大学和研究机构的研发活动推动下，成为这一活动的领先者。

在需要技术创新以提高电解槽效率和降低成本的关键领域，出现了五种专利趋势。首先，人们非常重视寻找最佳操作条件和电解槽结构，以提高产氢效率；第二，与非贵金属电催化剂相关的专利激增表明，研发正朝着发现新的解决方案的方向发展，以减少稀有金属的影响；第三，为了同时提高技术性能和耐久性，专利活动正在向聚合物或（有机）分离膜方向发展。一般来说，大约5%的专利申请明确提到了提高耐久性或延长使用寿命；第四，为了扩大氢的规模和制氢经济性，在无双极元件的电解槽的可堆叠性方面，专利活动有所增加；最后，光电解是一个新兴的专利领域，世界各地许多大学都在致力于开发新的发明，以利用（太阳）光作为能源分解水。

电解槽巨大的发展发展势头有望继续下去，并刺激未来的创新。事实上，专利申请增长趋势发出信号，不久将会有更多的解决方案，以解答在提高技术效率和生产能力的同时降低电解槽成本的新的解决方案的迫切需求，电解槽领域的创新是一项受到广泛认可的策略，使得制氢成本与其他技术相比具有成本优势，并尽可能实现绿色生产，从而有助于应对诸如减碳和加速能源转型的挑战。