推廣氫能有助于應(yīng)對(duì)氣候變化并遏制全球變暖進(jìn)程，多國(guó)正在加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，為生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)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(guó)正在著力開(kāi)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(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。
2022年5月，歐洲專利局（EPO）和國(guó)際可再生能源署（IRENA）聯(lián)合發(fā)布《專利洞察報(bào)告：制氫電解槽創(chuàng)新趨勢(shì)》（Patent Insight Report: Innovation Trends in Electrolysers for Hydrogen Production）（以下簡(jiǎn)稱“報(bào)告”），該報(bào)告研究分析了2005至2020年用于水電解生產(chǎn)氫氣的電解槽領(lǐng)域的專利申請(qǐng)狀況和此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。該報(bào)告的主要發(fā)現(xiàn)之一是自 2005 年以來(lái)制氫技術(shù)的專利申請(qǐng)數(shù)量平均每年增長(zhǎng) 18%。
該報(bào)告追蹤了2005-2020年專利申請(qǐng)情況，部分結(jié)論如下：
2016 年，水電解技術(shù)的同族專利數(shù)量超過(guò)了從化石資源（例如固體或液體煤和油基氫源）制氫相關(guān)的專利數(shù)量。
2018 年，基于更便宜礦物的電催化劑的發(fā)明數(shù)量超過(guò)了基于更傳統(tǒng)但更昂貴的電催化劑（使用金、銀、鉑或其他貴金屬）的發(fā)明數(shù)量，證實(shí)了對(duì)更便宜替代品的推動(dòng)。這種趨勢(shì)在中國(guó)專利申請(qǐng)的激增中得到明顯體現(xiàn)。
光電解是一項(xiàng)很有前景的新興技術(shù)，可以將電力和氫氣生產(chǎn)集成在一個(gè)步驟中，從而有可能降低生產(chǎn)成本。報(bào)告指出，該領(lǐng)域的國(guó)際專利家族數(shù)量高于平均水平，50%的該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人是高校。
現(xiàn)在世界對(duì)清潔能源的需求十分強(qiáng)烈。盡管專利申請(qǐng)量急劇增加，但該報(bào)告強(qiáng)調(diào)，仍需要對(duì)電解槽技術(shù)進(jìn)行重大創(chuàng)新，以進(jìn)一步降低其成本以進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。
電解水制氫的五大創(chuàng)新領(lǐng)域
2016年，電解水制氫領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量首次超越化石燃料制氫專利申請(qǐng)數(shù)量。此后，化石燃料制氫相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量逐年減少。這說(shuō)明國(guó)際社會(huì)對(duì)推進(jìn)電解水制氫技術(shù)發(fā)展已達(dá)成共識(shí)，各國(guó)為此都制定了相關(guān)戰(zhàn)略。日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)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(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。近年來(lái)，電解水制氫5個(gè)子技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)情況呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。
圖 不同國(guó)家與地區(qū)（分別是歐洲、日本、中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、其他地區(qū)）與電解制氫五個(gè)子技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的國(guó)際專利國(guó)家份額的匯總圖。其中國(guó)家是指專利申請(qǐng)人所在的國(guó)家。歐洲將歐洲專利組織的 38 個(gè)成員國(guó)組合在一起。每列頂部的粗體和括號(hào)中的數(shù)字是該技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際專利申請(qǐng)總數(shù)。圖源IRENA
1.電解槽結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件
優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(yùn)行條件有助于提高電解裝置的效率、增強(qiáng)耐用性并降低成本。2020年，高壓電解槽技術(shù)專利的申請(qǐng)數(shù)量較2016年翻了一番。
日本在此項(xiàng)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(qǐng)數(shù)量就占該領(lǐng)域國(guó)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(qǐng)數(shù)量激增，說(shuō)明研發(fā)重點(diǎn)正轉(zhuǎn)向通過(guò)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(xiàng)技術(shù)推廣的主要障礙，研究人員正在推動(dòng)用非貴金屬材料替代稀缺材料。
2015年以來(lái)，非貴金屬電催化劑的國(guó)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(guó)在該領(lǐng)域最為活躍，兩國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際專利申請(qǐng)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(qǐng)最為活躍，該技術(shù)有助于增強(qiáng)電解槽的耐用性、延長(zhǎng)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(xiàng)專利數(shù)量申請(qǐng)迅速增長(zhǎng)。
4.電解槽電堆
對(duì)電極、雙極板和多孔輸送層等元件進(jìn)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(zhǎng)、各組件成本越低，整體成本越低。2019——2020年，此項(xiàng)專利申請(qǐng)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(jìn)步空間已很小。
5.光電解
許多研究者正積極開(kāi)發(fā)光電解技術(shù)，2015——2017年，光電解相關(guān)專利申請(qǐng)量大幅增加。光電解技術(shù)可一步完成發(fā)電和制氫兩項(xiàng)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(jìn)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(jìng)爭(zhēng)力，讓氫能在去碳化進(jìn)程和能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更大作用。
中國(guó)專利專注國(guó)內(nèi)市場(chǎng)日本國(guó)際專利申請(qǐng)領(lǐng)先
2017年，電解水制氫相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量超過(guò)化石燃料制氫，此后，天然氣制氫相關(guān)專利數(shù)量逐年減少。這說(shuō)明當(dāng)前氫能技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向電解水制氫。這是由于電解水制氫使用的是可再生能源生產(chǎn)的電力，比非可再生能源制氫能耗更低。
圖 2005-2020年期間各國(guó)電解水制氫技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量，數(shù)據(jù)資料來(lái)源報(bào)告
如圖所示，電解水制氫相關(guān)專利數(shù)量增長(zhǎng)主要來(lái)自中國(guó)，中國(guó)申請(qǐng)人主要關(guān)注國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，中國(guó)申請(qǐng)的相關(guān)專利中僅3%為國(guó)際專利。從專利申請(qǐng)總數(shù)來(lái)看，排在中國(guó)之后的依次是日本、韓國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)。歐盟此前推出了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，將綠氫作為發(fā)展的重點(diǎn)，歐洲國(guó)家專利申請(qǐng)數(shù)量也居于前列。
從國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量來(lái)看，日本國(guó)際專利數(shù)量排在首位，之后為美國(guó)和德國(guó)，這3個(gè)國(guó)家2005——2020年電解水制氫專利申請(qǐng)數(shù)量占國(guó)際專利申請(qǐng)總數(shù)的52%。中國(guó)雖然專注于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，但是近年來(lái)國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量逐年增加，而日本的國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量有所減少，特別是近兩年減少的勢(shì)頭更明顯。2018——2020年，日本申請(qǐng)的國(guó)際專利數(shù)量逐年減少，而中國(guó)的國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量在3年間增長(zhǎng)了38%。
推廣電解水制氫需考慮用水用地成本
綠氫生產(chǎn)涉及兩大關(guān)鍵要素，一是水，二是可再生能源發(fā)電。國(guó)際能源署（IEA）認(rèn)為，目前電解水制氫只占全球氫能產(chǎn)能的2%左右，但該技術(shù)取代化石燃料制氫的潛力很大。
假設(shè)當(dāng)前全部氫能需求均由電解水制氫技術(shù)滿足，那么制氫需要的電力將達(dá)3600太瓦時(shí)，需要的水資源將達(dá)6.17億立方米。這一電力需求已超過(guò)歐盟的年發(fā)電量，而其用水需求也達(dá)到目前全球能源產(chǎn)業(yè)用水總量的1.3%，相當(dāng)于目前天然氣制氫產(chǎn)業(yè)耗水量的兩倍左右。
從理想情況來(lái)看，電解水制氫技術(shù)相比其他制氫方式消耗的水資源更少。如果僅考慮化學(xué)反應(yīng)，使用電解水制氫，每千克氫最少消耗9千克水；使用天然氣制氫配合CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)，每千克氫需消耗13——18千克水；煤氣化制氫每千克氫需消耗40——86千克水，具體取決于煤礦開(kāi)采的耗水量。
然而，考慮到目前電解水制氫工藝效率低和水的脫礦處理，實(shí)際上，每生產(chǎn)1千克氫需消耗約20千克水。一套1吉瓦的大型電解裝置以75%的效率每年運(yùn)行8000小時(shí)（約11個(gè)月），每年可生產(chǎn)15噸氫，根據(jù)每千克氫消耗20千克水計(jì)算，則將消耗300萬(wàn)噸水，這相當(dāng)于一座7萬(wàn)人口小城的用水量。
如果利用海水淡化技術(shù)，那么即便在水資源緊缺的地區(qū)大規(guī)模推廣電解水制氫也是可行的，水資源就不會(huì)成為發(fā)展電解水制氫的瓶頸。考慮到設(shè)備可能被腐蝕，且氯會(huì)影響電解槽的使用壽命，因此水電解制氫對(duì)水的純度要求較高。海水淡化反滲透處理技術(shù)每生產(chǎn)1立方米的淡水耗電3——4千瓦時(shí)，這對(duì)電解水制氫的總成本影響很小，具體而言就是將每千克氫的生產(chǎn)成本提高1——2美分。
就土地占用而言，據(jù)IRENA估算，1000吉瓦水電解裝置占地面積相當(dāng)于美國(guó)紐約曼哈頓，這種大型電解裝置的裝機(jī)容量密度接近7500兆瓦/平方千米，是陸地風(fēng)電裝機(jī)容量密度5兆瓦/平方千米的1500倍。也就是說(shuō)，要使用可再生能源電解水制綠氫，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電都會(huì)占用大量的土地，而電解裝置本身占地面積相對(duì)較小。
電解水制氫遭遇關(guān)鍵材料供應(yīng)的挑戰(zhàn)
電解水制氫是在直流電下將水分子分解為氫氣和氧氣，分別在陰、陽(yáng)極析出。電解水制氫主要有3種技術(shù)路線：堿性電解（AWE）、質(zhì)子交換膜（PEM）電解和固體氧化物（SOEC）電解。
目前，堿性電解水制氫技術(shù)最為成熟、成本最低，更具經(jīng)濟(jì)性，已被大規(guī)模應(yīng)用。固體氧化物電解水制氫目前以技術(shù)研究為主，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。PEM電解水制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用，且適應(yīng)可再能源發(fā)電的波動(dòng)性，效率較高，發(fā)展前景好。
PEM電解裝置相比于堿性電解裝置的優(yōu)勢(shì)，包括操作更為靈活、輸出壓力較高、尺寸更小等，但其投資成本較高，且使用壽命較短。PEM電解裝置使用的材料成本高，因此前期投入高，這是其推廣的一大障礙。
PEM電解裝置的雙極板使用鍍金或鍍鉑的鈦材料，電堆核心也要使用稀有金屬。考慮到陽(yáng)極側(cè)容易氧化，為增強(qiáng)耐用性，還要使用銥這種地球上最稀有的金屬。陰極側(cè)常使用鉑，不過(guò)鉭有望成為替代材料。
電池單元使用的稀有金屬占PEM電解系統(tǒng)整體成本的近10%，稀有金屬已成為推廣PEM電解技術(shù)的瓶頸，其原因不是稀有金屬成本高，而是因?yàn)楣?yīng)鏈局限性較大。
目前，全球鉑金屬的年產(chǎn)量約為200噸，通過(guò)回收汽車和電氣設(shè)備使用的鉑可增加約20%的產(chǎn)量。假設(shè)全球所有的鉑都用于電解水制氫裝置，那么未來(lái)10年全球可再部署2000吉瓦的電解裝置。假設(shè)電解裝置的使用壽命為10年，到期后所有退役電解槽使用的鉑都能回收再用于電解水制氫，那么到2030年全球可部署4000吉瓦的電解裝置。今后幾年內(nèi)有望通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新減少PEM電解裝置的鉑金屬用量，因此鉑應(yīng)該不會(huì)成為電解水制氫技術(shù)的瓶頸。
不過(guò)，目前電解槽每千瓦裝機(jī)容量對(duì)應(yīng)銥的用量為1——2.5克，而全球銥的年產(chǎn)能僅為7——7.5噸。按照目前的技術(shù)水平，全球銥產(chǎn)能只能支持每年增加10——12吉瓦的PEM電解槽。預(yù)計(jì)未來(lái)10年，銥的產(chǎn)能僅能支持30——75吉瓦的PEM電解裝置。
鑒于此，稀有金屬會(huì)嚴(yán)重影響PEM電解裝置的推廣部署和可再生能源制氫的發(fā)展。為避免關(guān)鍵材料供應(yīng)短缺，還需要進(jìn)一步創(chuàng)新以減少稀有材料的使用，并盡可能用價(jià)格低廉的常見(jiàn)材料來(lái)替代稀有金屬。
