EPO和IEA联合发布氢能技术专利分析报告
2023-02-03 16:09:14 阅读次

1. 全球氢能专利技术由欧洲和日本领导，美国在2011至2020年失去了优势，韩国和中国初步凸显。

2011至2020年，氢能技术的国际专利家族（IPFs）约有一半与氢气生产有关，其他IPFs分为氢气的终端应用和氢气的储存、分配和转化。

2011至2020年，约有28%的IPFs在氢能价值链的三个技术环节[1]中具有相对技术优势（RTA）[2]，欧盟国家是全球氢能专利的领导者（包括德国的11%和法国的6%）。

日本同样是氢能领域强大的创新者，在所有公布的IPFs中占24%，并在所有技术中具有相对技术优势。在过去十年中，日本的氢能专利增长比欧洲更快，2011年和2020年的复合平均增长率分别为6.2%和4.5%。

2011至2020年，美国约占所有与氢能有关的IPFs的20%，并且是过去十年间IPFs数量减少的唯一主要地区。相比之下，韩国和中国的国际专利申请数量仍然不多。但是，韩国和中国在2011至2020年期间稳步增长，年均增长率分别为12.2%和15.2%，韩国主要关注氢能的新兴终端应用。

图1  全球主要国家国际专利家族（IPFs）占比和相对技术优势（2011-2020）

[1]氢能价值链的三个技术环节分为：生产，储存、分配和转化，终端应用。

[2] RTA指数表明某个国家在氢能创新方面相对全球整体创新能力的专业化程度，具体定义为某个国家在某一技术领域的IPFs份额除以该国在所有技术领域的IPFs份额，RTA值大于1，则表明该国在特定技术领域的专业化程度较高。

2. 氢能技术创新由欧洲化学工业主导，但新的重要专利权人来自汽车和化工领域的公司，专注于电解和燃料电池技术。

氢能价值链的三个主要技术环节中，可以区分为：①对化学品和精细化学品成熟工艺的增量式改进；②通过使氢能成为更广泛领域的清洁能源产品而有助于减缓气候变化的新兴技术。2011至2020年，主要由气候驱动的氢能技术产生的IPFs数量是现有技术（氢储存、分配和转化方面）的两倍，特别关注终端应用和生产方法，而成熟技术仍然在氢储存、分配和转化方面产生了大部分的IPFs。

现有技术的顶级申请人主要是在化石燃料生产和处理氢方面具有广泛背景的化学公司。他们也在向新兴技术（如碳捕获、利用和储存CCUS）多样化发展，以实现低排放氢的供应。以气候驱动的新兴技术的顶级申请人由日本和韩国公司领导，通常来自汽车行业。他们的专利组合主要集中在电解生产和基于燃料电池的应用上，但也延伸到液态或气态氢的储存和分配的现有技术上，这是这些国家计划在不久的将来进口储存氢的重点领域。

2011至2020年，大学和公共研究机构产生了所有与氢有关的IPFs的13%，仅前十大研究机构就占了所有IPFs的3%左右。它们以韩国和欧洲机构为主，强烈关注对气候驱动的氢能生产方法（如电解）。

表1  重要国际申请人在各个技术领域的国际专利家族分布（2011-2020）

3. 虽然氢能生产仍然几乎以化石燃料为基础，但专利已经出现了向替代性、低排放方法的重大转变。这预示着电解槽的繁荣，欧洲在这一领域已经获得了新的制造能力优势。

对过去20年氢能生产技术的专利趋势比较分析表明，创新明显从传统的碳密集型方法转向有可能使氢能生产脱碳的新技术。2020年，以气候问题驱动的技术产生了近80%的与氢能生产有关的知识产权。它们的增长主要源于电解创新的迅速增长。

几种类型电解槽正在争夺巨大的预期市场，根据已宣布的政府承诺，到2030年，该市场将从每年1吉瓦上升到65吉瓦以上。2011至2020年，日本在最先进的碱性技术和更前沿的质子交换膜电解水制氢（PEM）技术的专利申请方面处于领先地位。然而，在这些技术制造能力方面的投资还没有开始。欧盟27国和其他欧洲国家在专利和制造方面都很活跃，特别是在固体氧化物电解水制氢（SOEC）技术方面，同时在PEM和碱性技术方面也做出了重大贡献。美国在发展PEM制造能力方面非常积极，但在专利创新方面并不活跃。中国在电解槽技术的国际专利方面占比很小，但在制造能力方面投资很大，几乎完全集中在较便宜的碱性技术上，这种技术的历史更长，但对未来的改进预期较低。

自2007年以来，与化石燃料制氢相关的IPFs一直在减少，新兴的化石燃料制氢的脱碳解决方案迄今只产生了少量的专利。同样，以气候驱动的其他氢气生产技术创新似乎也缺乏动力。从生物质或废物（通过气化或热解）生产氢的专利活动在2007至2011年急剧上升，但自此后大大减少。自2010年以来，与通过非电解途径进行水分离有关的IPFs数量也略有下降，2020年占电解领域IPFs总量的12%。

4. 2001至2020年，以改进现有的氢储存、氨及甲醇生产技术为目标的专利申请活动稳步增长。在过去十年中，开发氢基燃料的创新失去了动力。

纯氢目前是以气态形式通过管道和管道拖车运输，或以液化形式在低温罐中运输。2001年以来的专利申请趋势表明，在过去20年中，这些现有技术吸引了越来越多的创新努力，这标志着该行业有能力并有兴趣致力于氢气加注系统分配系统的研发部署和效率提升。虽然氢能行业的老牌企业活跃在氢储存和分配的所有技术领域，但由于车载氢储存对氢动力汽车商业化的重要性，汽车公司也已成为其中一些领域的重要专利申请人。

与利用氢生产氨和甲醇有关的IPFs的数量在2001至2020年同样有所增长，这既反映了为减少其生产过程对气候产生的重大影响所做的努力，也反映了最近对氨和甲醇作为氢基燃料用于电力和运输部门的兴趣。与纯氢储存技术一样，这些领域的创新主要是由专门生产和处理化石燃料氢的公司（主要是欧洲公司）推动的。

其他氢基燃料（例如航空用合成煤油或合成甲烷）的进展也依赖于效率的提高和成本的降低，但专利数据表明，这些技术的创新在过去十年中失去了动力。自2011年以来，美国和欧洲主导的开发合成燃料的努力已经停滞。2011至2020年，氢能长距离运输的竞争技术的专利申请迅速增加，液体有机碳氢化合物（LOHC）的复合平均增长率为12.5%，氨裂解为7.8%。然而，其他氢基燃料只代表了一小部分专利家族，其中一半仍然来自于科学导向的研究机构。

5. 尽管最近氢气用于钢铁生产取得了一些进展，但汽车行业使用氢的专利活动继续以远高于其他终端应用领域的速度发展。但是，使用氢基燃料的长途运输等其他工业应用的创新尚未取得显著进展。

运输领域IPFs的强劲增长是由汽车行业燃料电池创新所推动，其次是短途航空（特别是无人机）。这些领域的专利活动主要由日本和韩国的汽车公司主导，并出现了与PEM电解创新协同的现象。相比之下，航运和中程航空等长途运输方面使用氢气、氨气或甲醇作为燃料的内燃机（ICE）和涡轮机的创新尚未受到最近氢能支持政策的影响。

使用氢生产钢铁有关的IPFs在2014年以来连续几年减少，2017年出现反弹。2011至2020年，近40%的专利活动集中于少数钢铁生产商和设备供应商。后者由欧洲公司领导，在将最先进的氢能技术（如直接还原铁和冶炼还原）纳入新一代生产设备方面，处于更先进的地位。

2010年，氢能在建筑和发电等其他终端应用的专利活动有所下降，这表示除日本外，其他地区对建筑应用缺乏兴趣，而对电池作为固定电力储存的替代解决方案的兴趣越来越大。

表2  氢基燃料技术的国际专利趋势（2011-2020）

6. 专利是发展氢能产业初创企业筹资的基础，80%以上的氢能初创公司的后期投资流向已经提交专利申请的公司，这表明专利活动对该领域的年轻公司至关重要。

在391家从事与氢相关活动的初创企业中，几乎70%至少拥有1项专利申请。事实上，氢能领域的大多数初创企业都是在实验室里开始的，要么依靠现有技术的重组，要么利用新兴技术来解决基本的技术问题。这些类型的企业需要大量的研发和工程投资，并且通常依靠专利来保证这些投资。

2011至2020年，该报告研究范围内的391家初创企业中只有117家提交了IPFs，大部分在欧盟（34%）和美国（33%），但它们吸引了为早期、后期和IPO/上市后阶段提供的55%的风险资本资金。对涉及有或没有专利申请的氢能初创企业的风险资本交易的更广泛分析表明，当进入后期融资回合时，有专利申请的公司筹集的资金总额的份额持续增长。在氢能初创企业的后期投资中，80%以上是由已经提交了第1个专利申请的公司获得的。如果考虑到在IPO/上市后阶段获得的资金，这一比例增加到95%。

氢能初创企业的IPFs主要针对主要由气候驱动技术，如电解和燃料电池。然而，其中大约三分之一的企业也显示出在现有技术方面的专利活动，通常与气候驱动技术的IPFs相结合。氢能生产方面尤其如此，这标志着试图减少从天然气和化石燃料获得氢能的碳影响。

7. 与氢有关的专利在不同技术和地区的不平衡趋势表明了政策行动的机会，以帮助实现一个净零排放的未来。

尽管氢能技术专利活动的增长总体上散发出积极的信号，但仍有几个领域值得关注。氢能技术对复杂的技术价值链的依赖，意味着低排放氢的广泛使用只能在该价值链中最薄弱的环节迅速进行。创新者对氢生产的重视是非常受欢迎的，并将随着时间的推移降低成本，但在氢基燃料合成和终端应用等领域也需要成本和性能的改善。虽然对未来能源系统的经济模型的分析，预计这些领域的成本将降低，但专利数据表明，发明人还没有获得激励去达成这一目标。

政府应该认真对待供需技术不匹配的风险。在实验室以及具有商业规模化的工厂中正在开发的各种电解槽解决方案已经呈现出一种创新的势头，这种势头得到了公司和地区之间经济竞争的支持。政府有充分的理由将创新引向新的制造技术，减少对一些关键矿物的依赖，或使用理想的投入，如盐水或受污染的水，而且总的方向已经非常令人鼓舞。然而，对这些技术部署的投资取决于是否有愿意购买低排放氢的用户，而这又取决于是否存在适当的、有竞争力的转化和终端使用技术。除非市场上有所谓的“滴入式”氢基燃料，或者全球的消费者和企业能够广泛获得从化石燃料氢中转换的技术，否则投资将是有限的。

报告指出，政府在制定研究议程和采取政策激励私营机构投资创新方面发挥着关键作用。专利数据清楚地表明，老牌企业是氢能专利申请的重要申请人，并有能力扩展到新的细分市场，例如活跃在燃料电池和电解领域的汽车公司和化工公司。向钢铁、航空和航运业的公司发出需要向清洁燃料转型的信号，将刺激现有公司的技术研发，也将催化新的初创企业。这种信号可以建立在法规、市场激励或资金转移的基础上，同时支持创新项目。同样，利用氢能来提升生物燃料和固定发电的专利趋势也需要新的推动力。

在未来对清洁能源未来的氢能专利分析中，另一个需要监测的领域是用化石燃料生产氢能。为大幅减少排放，现有经济领域不能继续以增量式创新来提高效率。如果所有基于化石燃料的技术的目标是建立净零能源体系，所有基于化石燃料的技术都应该与气候目标保持一致。