海上風電制氫專利技術分析

摘" 要：近年來，全球海上風電發(fā)展迅猛，海上風電儲能成為各國風電企業(yè)研發(fā)的熱點。制氫是清潔、高效的新能源利用模式，風電制氫一方面緩解風電“棄風”現(xiàn)象，有效解決新能源發(fā)電領域存在的“短板”，另一方面氫氣能夠與二氧化碳等反應生成甲烷，為早日實現(xiàn)“雙碳”目標提供有力的助力。該文對海上風電制氫專利申請數(shù)據(jù)進行分析，對海上制氫技術的專利技術進行梳理。

關鍵詞：海上風電；制氫；專利申請；趨勢；技術發(fā)展

中圖分類號：TM315" " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0113-04

Abstract： In recent years， with the rapid development of global offshore wind power， offshore wind power energy storage has become a hot spot in the research and development of wind power enterprises in various countries. Hydrogen production is a clean and efficient new energy utilization mode. On the one hand， hydrogen production from wind power alleviates the phenomenon of \"wind abandon\" of wind power and effectively solves the \"short board\" in the field of new energy power generation. On the other hand， hydrogen can react with carbon dioxide to form methane， providing a strong boost for the early realization of the \"double carbon\" goal. Through the analysis of the patent application data of offshore wind power hydrogen production， this paper sorts out the patent technology of offshore hydrogen production technology.

Keywords： offshore wind power; hydrogen production; patent application; trend; technological development

近年來，伴隨著風電裝機容量的不斷增加，大規(guī)模低可控性不均勻品質風電的并網(wǎng)需求對電網(wǎng)安全以及風電建設、運營的可持續(xù)性產(chǎn)生重要影響[１]，后續(xù)“雙碳”甚至“負碳”目標的持續(xù)建設需求也將促使太陽能、風能研究利用熱度和投入規(guī)模的持續(xù)擴大，將對新能源組件、設備的生產(chǎn)和安裝、施工設備等整個產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生強大的推動力，為提高以風能、太陽能為代表的新能源品類的利用效率，探索新能源利用的新方式，避免甚至杜絕“棄風”“棄光”現(xiàn)象的出現(xiàn)，有效解決新能源發(fā)電領域存在的“短板”，對例如風電制氫等不同形式之間能源轉換問題進行積極探索是必要的[２]。與此同時，氫能源具有高能量密度、可存儲運輸、高轉化效率、適用范圍廣和無污染等特點，被廣泛認為是大規(guī)模轉化剩余可再生能源電力的主要方式之一[３]。因此，采用風電制氫既可以利用氫能存儲電能以平抑風電輸出的波動性，解決輸送成本高的問題，還可以利用風電較低的度電成本提高電解制氫的收益。在全球能源加速清潔低碳轉型、積極應對氣候變化的進程中，海上風電已成為能源生產(chǎn)領域新的關注點。走向深遠海是海上風電開發(fā)的大趨勢，海上風電制氫被認為是解決其電力送出、調峰與消納等問題的重要方案[４]。因此，從海上風電制氫技術的前瞻性研究入手，對現(xiàn)有的海上風電制氫專利技術進行梳理，了解其關鍵性技術發(fā)展，為更好發(fā)展我國海上風電制氫產(chǎn)業(yè)提供新思路和新方向。

1 總體申請趨勢分析

本文通過選擇德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）和中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）作為檢索基礎，采取“分類號+關鍵詞”的檢索策略進行檢索海上風電制氫專利申請，檢索結果通過標引人工去噪，鑒于專利申請滿18個月公開的影響，2023年專利申請量存在一定的誤差。

圖1為全球關于海上風電制氫專利技術的申請趨勢。

整體來看，海上風電制氫專利技術處于開發(fā)較淺的階段，整體申請量不高，這說明全球技術研發(fā)人員剛逐步對海上風電制氫進行專利布局。從國外申請量來看，2000年之前，海上風電制氫基本處于空白期，2000年之后，國外海上風電制氫技術逐步發(fā)展，處于萌芽期。2001—2018年一直處于波動發(fā)展，其申請量并不多，2018年之后，國外申請量逐漸增加在2021年申請量達到高峰，2022年申請量有所回落，2023年屬于部分專利申請還未公開。就國內申請趨勢而言，海上風電制氫技術起步較晚，2011年之后中國逐漸出現(xiàn)零星的專利申請，直到2018年，海上風電制氫專利申請量急劇增長，在2022年達到高峰，這說明中國在這個階段已經(jīng)后來者居上。全球和中國海上風電制氫專利申請具體趨勢分析如下。

1.1 全球海上風電制氫專利技術申請趨勢

1.1.1" 萌芽時期（1989—1999年）

在該時期內，海上風電制氫技術剛剛萌芽，全球海上風電制氫專利申請總量較少，年申請量基本為1～2件，1989年涉及美國和日本分別有1件專利申請，1992年日本申請1件，1994年德國申請1件，1997年德國申請1件，1999年日本申請1件，可見在海上風電制氫技術的萌芽時期，日本已經(jīng)著手對海上風電制氫的研究，這是由于日本對于能源方面一直有著強烈的危機感，積極發(fā)展海上風電制氫成為解決能源問題的一個突破口。

1.1.2" 波動增長期（2000—2010年）

這一時期，全球海上風電制氫技術呈現(xiàn)波動增長趨勢，全球專利申請總量達到了75件，各個國家對風電制氫技術進行了研發(fā)，美國申請量為20件，占據(jù)全球專利總申請量的26.7%，韓國申請量排名第二位，申請量為14件，日本和德國并列第三位，申請量為10件。全球風電制氫技術呈現(xiàn)分散性特點，各國開始搶占風電制氫技術領地。

1.1.3" 振蕩發(fā)展期（2011—2018年）

在這一時期，全球海上風電制氫技術專利申請量呈現(xiàn)振蕩發(fā)展趨勢，全球海上風電制氫專利技術申請量經(jīng)歷了緩慢增長和回落，2011—2015年呈現(xiàn)振蕩發(fā)展趨勢，2016—2018年申請量出現(xiàn)回落。

1.1.4" 蓬勃發(fā)展期（2019年至今）

在該時期內，全球海上風電制氫專利申請量迅速增長，并在2021年達到了申請量高峰。在該階段，全球各國對海上風電制氫技術均進行了專利布局，投入了大量人力物力進行技術研發(fā)，專利申請量呈現(xiàn)急劇增加的趨勢。

1.2" 中國海上風電制氫專利技術申請趨勢

1.2.1" 萌芽發(fā)展時期（2012—2018年）

相較于全球海上風電技術的發(fā)展，中國海上風電制氫技術發(fā)展較晚，2012年之前基本處于技術空白期，2012年之后出現(xiàn)零星專利申請，2012—2018年處于萌芽發(fā)展時期，年專利申請量基本在10件以下。

1.2.2" 蓬勃發(fā)展時期（2018年至今）

2020年9月，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，并爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。2021年10月，《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》相繼發(fā)布，上述意見和方案的提出進一步推動了海上風電制氫技術的發(fā)展。

從申請趨勢可以看出，雖然中國海上風電制氫技術發(fā)展較晚，但在2018年之后中國海上風電制氫技術飛速發(fā)展，其專利申請量逐年增加，并在2022年申請量達到頂峰。

2" 重要申請人排名

圖2和圖3為全球和中國關于海上風電制氫專利技術的重要申請人排名，從全球重要申請人排名來看，前十名申請人中中國申請人占據(jù)6位，日本1位，韓國1位，法國1位。西門子歌美颯可再生能源公司作為代表性的風電企業(yè)申請量位居榜首，而中國在海上風電制氫方面擁有眾多申請人也說明了中國在海上風電制氫技術方面擁有一定的話語權。

從國內申請人來看，排名前十的分別是：大連船舶重工、哈爾濱工業(yè)大學、中國華能集團、哈爾濱工程大學、浙江大學、清華大學、西安熱工院、青島中石大新能源、上海交通大學、華電重工。其中高校占據(jù)五位，說明高校申請人是海上風電制氫技術的重要研發(fā)主體。

3" 海上風電制氫技術發(fā)展路線

3.1" 電解制氫方式專利技術發(fā)展路線

目前常見的制氫方式為電解制氫，而按照電解槽不同，可以將電解制氫分為3種，分別是堿式、質子交換膜、固體氧化物[5-6]。

對于堿式電解制氫，2002年RU2002120211A涉及一種海洋生態(tài)站，該海洋生態(tài)站由電源、帶有與氫液化裝置連接的電極的電解槽、深水吸收裝置和連接管道組成，以風力發(fā)電廠作為電源，還以光電站、水力發(fā)電站、可使用氫作為燃料的燃料化學站和蓄電池。2012年KR20140035557A涉及浮式海上聯(lián)合發(fā)電機供氫供氧系統(tǒng)。2021年FR3124234A1涉及用于生產(chǎn)和儲存氫的浮式設施，其中電解槽采用堿式電解槽，同年明陽智慧集團股份公司提出了一種深遠海離網(wǎng)型電力能源與化工生產(chǎn)集成系統(tǒng)，CN216129402U采用堿性電解槽，并且為了使得堿性電解槽中的核心組件電極網(wǎng)具有更長的耐久性，降低其運維成本，采用海水淡化裝置電解淡化后的海水，而且淡化后的水可以作為生活淡水使用，避免了從陸上運送生活淡水，降低成本。為了增強堿液的導電性確保電解效果，2021年上海外高橋造船有限公司提出一種海上風電制氫綜合平臺（CN113922421A），采用離子水、堿液以及淡水作為電解裝置所需電解液的重要組成部分，離子水與淡水和堿液混合能夠增加混合液體的導電性，從而確保電解效果，并且電解裝置可以控制。CN114123265A提到了堿性電解槽制氫調節(jié)速度快、調節(jié)能力強、成本較低，可以與海上風電機組耦合利用，因此提出了采用海上風電驅動的堿式電解制氫方式。此外，CN115839298A涉及一種基于海洋能源和海上風能的供氫供電系統(tǒng)，為了提高減水的電解效率，其提出了在電解水裝置中的陽極和陰極可以為鋼棒，將鋼棒采用等離子設備噴涂硼化鈦。而硼化鈦是一種無極催化劑，成本低，壽命長。將硼化鈦作為堿水電解的催化劑，能夠提到電流流動的效率，從而提高堿水電解效率。

2022年中國華能集團申請了多項發(fā)明專利，均涉及堿式電解水制氫，例如CN115261924A涉及一種制氫電極及其制備方法和應用，旨在解決由于海水直接制氫的方式產(chǎn)生電解制氫電極材料活性差和壽命低的問題。其通過在電極基體表面設置催化層，催化層由層狀金屬氫氧化物-硫酸鹽復合體形成，從而降低海水中氯離子的負面影響，提高電解制氫活性。

對于質子交換膜制氫，CN219731071U涉及一種用于海上風電制氫電解用水的制備及供給系統(tǒng)，提供了2種電解槽，堿性電解槽和質子交換膜電解槽，該系統(tǒng)可以為2種不同的電解槽提供相應不同純化程度的電解用水，并為海上風電制氫搭載平臺提供生活淡水，滿足飲用需求。

為了提高傳導性能，CN114481176A 基于電解合成甲醇的海上風電儲能系統(tǒng)，提出質子交換膜設置在鉑基合金陰極與氧化銥陽極之間，其材料選用磷酸（H3PO4）摻雜的聚苯并咪唑膜，磷酸摻雜量為160～210 wt.％，其性能要求為在高壓（5～10 MPa）和高溫環(huán)境（100～250 ℃）能夠保持高質子傳導性、良好的化學穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性以及防氣體滲透性。CN114909871A則采用在質子交換膜靠陽極擴散層一側的表面設陽極催化層、靠陰極擴散層一側的表面設陰極催化層的方式提高傳導性能。

對于固體氧化物制氫，深圳大學提出一種基于海上風電的海水電解制氫系統(tǒng)CN110904464A，海水蒸發(fā)裝置利用固體氧化物電解池的尾氣余熱將海水蒸發(fā)成水蒸氣，將水蒸氣經(jīng)過換熱裝置換熱后通入固體氧化物電解池電堆中，固體氧化物電解池電堆利用海上風電對水蒸氣進行電解，生成氫氣和氧氣。

對于電解制氫方式而言，目前堿式電解制氫和質子交換膜電解制氫仍然是主流的電解制氫方式，2種技術都需要以純水作為電解原料。離岸海上風電場缺乏純水供應，限制了電解制氫技術的應用。反滲透、電滲析等海水淡化能夠就地生產(chǎn)純水，但其高昂的設備投資和復雜的工藝流程將會大幅增加制氫成本，削弱氫儲能的經(jīng)濟效益。而CN211872099U采用經(jīng)電吸附脫鹽后的稀釋海水作為電解制氫的原料，能夠有效解決上述直接電解海水制氫的技術問題。

3.2" 儲氫方式專利技術發(fā)展路線

目前常見的儲氫方式為氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫以及合成氨儲氫等多種方式，其中氣態(tài)儲氫最為常見。

對于氣態(tài)儲氫，KR200208305Y1采用儲氫用波紋管，并且在輸送管上設置氫氣流出防止膜，從而阻斷基于波浪的搖擺和氫氣儲存用波紋管的壓力變化的氣體逆向流動，US6918350B1采用儲氣瓶實現(xiàn)氫氣存儲。

但由于高壓氣瓶成本較高，且危險系數(shù)較高，因此氣體儲氫緩慢發(fā)展，出現(xiàn)了將氣態(tài)氫以液態(tài)的甲醇或氨的形式進行存儲。DE102007057267A1在能量船（浮體）上有電解設備、用于可電解的水的容器、用于氣體壓縮的壓縮機以及用于接收產(chǎn)生的氫氣和氧氣的壓力容器。或者，也可以將產(chǎn)生的氫以液態(tài)甲醇或氨的形式儲存在浮體上。DE102013017914A1則通過電解將電流轉化為氫氣，海上水脫鹽，氫氣甲烷化，從空氣中回收二氧化碳，在海上（例如在平臺上的風電場中）儲存一氧化碳/二氧化碳、氫氣或甲烷，用于通過管道或船舶在陸地上輸送能量，下游陸側分配，以及任選地通過氣體（氫氣或甲烷）鋪設在陸地上。

目前的儲氫方式，除了高壓壓縮儲氫、液化儲氫之外，還包括固態(tài)儲氫。相較于高壓壓縮儲氫和液化儲氫而言，高壓壓縮儲氫需要笨重的鋼瓶，儲氫效率低、能量密度低；而液化氫需要消耗很大的冷卻能量，增加了儲氫和用氫的成本，并且液氫儲存容器必須使用超低溫用的特殊容器，因而其儲存成本較貴。2020年江蘇海洋大學提出一個發(fā)明專利申請CN212177326U，涉及一種基于海上廢棄油氣平臺的綜合發(fā)電制氫儲氫系統(tǒng)，稀土金屬在較低的壓力下具有較高的儲氫能力，并且通過在儲氫合金中摻雜不同濃度的鋁可以增加儲氫合金的使用壽命。KR20220168202A涉及具有固態(tài)儲氫罐的獨立型浮式海上風力發(fā)電系統(tǒng)，其通過將固體氫儲存部的儲存罐內部由氫儲存合金構成，以便以固體狀態(tài)儲存氫燃料，并向漂浮體提供恢復力。隨著固體氫儲存部的冷卻及加熱，可將氫燃料均勻地儲存于氫儲存合金，或者可將所儲存的氫燃料重新均勻地向外部排出。

綜上，儲氫技術發(fā)展一直朝著更為安全，儲氫密度更高的技術方向發(fā)展。

4" 結束語

在申請趨勢方面，中國海上風電制氫技術起步較晚，但厚積薄發(fā)，后期超越了國外申請量，申請研發(fā)趨勢較好。但也應該看到目前中國海上風電制氫技術研發(fā)主體還集中在高校，存在一定的成果轉化問題。并且目前全球海上風電制氫還處于初期發(fā)展階段，專利申請量較少，需要創(chuàng)新主體進一步明確創(chuàng)新點，找準定位，及時對海上風電制氫技術進行專利布局。

從制氫方式來看，堿式電解制氫仍然是主流電解制氫方式，但技術人員更關注催化劑的設計，采用催化劑提高電解效率。而為了提高傳導性能，出現(xiàn)了合成甲醇制氫方式，并且對于質子交換膜制氫方式，也采用在陰極和陽極設置催化層的方式提高傳導性能；而固體氧化物電解制氫目前仍然較少。對儲氫方式，從最初的高壓壓縮儲氫，到固態(tài)儲氫，技術人員正朝著儲氫更加穩(wěn)定、成本更低的方式進行研發(fā)。

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