近日,歐洲專利局(EPO)和國際可再生能源署(IRENA)聯(lián)合發(fā)布《專利洞察報告:電解水制氫技術(shù)創(chuàng)新趨勢》,分析了近年來全球電解水制氫領(lǐng)域?qū)@暾埱闆r和此項技術(shù)的發(fā)展趨勢。
推廣氫能有助于應(yīng)對氣候變化并遏制全球變暖進程,多國正在加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè),為生產(chǎn)、存儲和運輸氫能投入大量資金。電解水制氫是氫能生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在理想情況下,電解水制氫的原材料成本低廉、供應(yīng)充足,應(yīng)當(dāng)僅使用可再生的水資源和電力。目前,各國正在著力開發(fā)電解水制氫技術(shù),以提高電解裝置效率、降低制氫成本并擴大市場規(guī)模。
電解水制氫有望使氫能在全球能源轉(zhuǎn)型進程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。使用氫能,特別是綠氫替代化石燃料,一些能源強度較高的產(chǎn)業(yè)有望實現(xiàn)去碳化。
2017年,電解水制氫領(lǐng)域的專利申請數(shù)量首次超越化石燃料制氫專利申請數(shù)量。此后,化石燃料制氫相關(guān)專利申請數(shù)量逐年減少。這說明國際社會對推進電解水制氫技術(shù)發(fā)展已達(dá)成共識,各國為此都制定了相關(guān)戰(zhàn)略。日本、美國、德國、法國和中國等國在電解水制氫領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
要提高電解裝置效率、降低電解水制氫成本,需要推進技術(shù)創(chuàng)新。近年來,電解水制氫5個子技術(shù)領(lǐng)域的專利申請情況呈現(xiàn)出不同的趨勢。
1.電解槽結(jié)構(gòu)和運行條件
優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)和運行條件以提高制氫效率的相關(guān)技術(shù)備受關(guān)注。高溫高壓的運行條件有助于提高電解裝置的效率、增強耐用性并降低成本。2020年,高壓電解槽技術(shù)專利的申請數(shù)量較2016年翻了一番。
日本在此項子技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,僅東芝、松下和本田3家企業(yè)的相關(guān)專利申請數(shù)量就占該領(lǐng)域國際專利數(shù)量的17%。
2.電催化劑
非貴金屬電催化劑相關(guān)專利申請數(shù)量激增,說明研發(fā)重點正轉(zhuǎn)向通過降低材料稀缺性減少電解水制氫成本。材料稀缺性是造成電解水制氫成本高昂的原因,也是此項技術(shù)推廣的主要障礙,研究人員正在推動用非貴金屬材料替代稀缺材料。
2015年以來,非貴金屬電催化劑的國際專利數(shù)量穩(wěn)步增加,有助于降低電催化劑材料成本。日本和美國在該領(lǐng)域最為活躍,兩國在該領(lǐng)域的國際專利申請數(shù)量占比達(dá)42%。
3.電解槽隔膜
質(zhì)子交換膜(PEM,又稱聚合物電解質(zhì)膜)專利申請最為活躍,該技術(shù)有助于增強電解槽的耐用性、延長使用壽命。使用更薄的膜可提高電解槽效率、減少耗電量,2010~2017年此項專利數(shù)量申請迅速增長。
4.電解槽電堆
對電極、雙極板和多孔輸送層等元件進行改造可降低電解槽成本。電解槽電堆單位面積電流密度越高,使用壽命越長、各組件成本越低,整體成本越低。2019~2020年,此項專利申請數(shù)量有所減少,其原因可能是該技術(shù)在減小電堆體積方面的進步空間已很小。
5.光電解
許多研究者正積極開發(fā)光電解技術(shù),2015~2017年,光電解相關(guān)專利申請量大幅增加。光電解技術(shù)可一步完成發(fā)電和制氫兩項工作,有助于大幅降低制氫成本,但目前該技術(shù)尚不成熟,制氫效率不高。
電解水制氫技術(shù)研發(fā)的熱度將持續(xù),這有助于進一步降低電解裝置成本并提高制氫效率和產(chǎn)能。技術(shù)創(chuàng)新將使綠氫更具成本競爭力,讓氫能在去碳化進程和能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更大作用。
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