稀土儲(chǔ)氫材料技術(shù)應(yīng)用方向及專利趨勢(shì)

劉思德 匡露 趙麗莎/文

包頭稀土研究院 橫琴國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易中心有限公司

1 稀土儲(chǔ)氫材料概述

能源危機(jī)成為人類社會(huì)面臨的共同問(wèn)題，對(duì)氫能的開發(fā)和利用受到了公眾的廣泛關(guān)注。儲(chǔ)氫材料是指能夠在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο驴赡娴匚蘸头懦鰵涞牟牧?。稀土?chǔ)氫材料憑借優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)定性，以及較高的儲(chǔ)氫容量，成為儲(chǔ)氫材料研發(fā)的關(guān)注重點(diǎn)。

圖1 鎳氫電池產(chǎn)品

目前，稀土儲(chǔ)氫材料主要包括鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料和固態(tài)儲(chǔ)氫材料兩大類。其中，鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料作為鎳氫電池的關(guān)鍵材料之一，具有儲(chǔ)氫能力強(qiáng)、放電性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其性能直接影響電池的循環(huán)壽命和性能穩(wěn)定性。開發(fā)具有更高容量的新型儲(chǔ)氫合金是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

2 固態(tài)儲(chǔ)氫材料

固態(tài)儲(chǔ)氫材料可分為兩類，第一類是通過(guò)吸附作用，如分子篩、活性炭、碳納米管、新型吸附劑等來(lái)吸附儲(chǔ)氫，該類吸附材料可以摻雜稀土元素來(lái)提高性能；第二類是稀土固態(tài)儲(chǔ)氫材料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以把氫氣變成金屬氫化物固體儲(chǔ)存起來(lái)，儲(chǔ)氫體積密度超過(guò)到液態(tài)氫密度，實(shí)現(xiàn)了常溫、常壓、安全儲(chǔ)氫。

利用儲(chǔ)氫材料的特性可做成稀土固態(tài)儲(chǔ)氫裝置。儲(chǔ)氫裝置具有無(wú)機(jī)械部件、無(wú)噪聲、低耗能的優(yōu)勢(shì)，用于加氫站和移動(dòng)加氫站，推動(dòng)氫能和燃料電池應(yīng)用。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置就像一個(gè)大容量充電寶，可以把光伏、風(fēng)電等不穩(wěn)定的可再生能源高密度存儲(chǔ)起來(lái)，既解決了風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性強(qiáng)、利用難的問(wèn)題，也將改變目前過(guò)度依賴煤炭、石油等化石能源制氫的現(xiàn)狀，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

圖2 固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)示范裝置

3 主要技術(shù)應(yīng)用方向及趨勢(shì)

本文用于分析的專利數(shù)據(jù)來(lái)源于incoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)不同的關(guān)鍵字和分類號(hào)組合進(jìn)行檢索，數(shù)據(jù)公開（公告）時(shí)間截至 2022 年 7 月。

全球稀土儲(chǔ)氫材料專利的技術(shù)構(gòu)成可以分為鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料、固態(tài)儲(chǔ)氫材料及其他方向（制備裝置/催化作用/添加劑）三大分支，本文重點(diǎn)介紹鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料、固態(tài)儲(chǔ)氫材料。其中，鎳氫電池可以用于綠色交通、電化學(xué)儲(chǔ)能、電源等領(lǐng)域；固態(tài)儲(chǔ)氫材料及其裝置一方面可用于氫燃料動(dòng)力方向，另一方面可用于氫氣升壓（替代加氫壓的膜壓機(jī)）、氫氣回收角度的應(yīng)用，其技術(shù)分支可進(jìn)一步劃分為化學(xué)可逆反應(yīng)類、物理吸附類和固態(tài)儲(chǔ)氫裝置等。

在稀土儲(chǔ)氫材料全球?qū)＠?，鎳氫電池?fù)極儲(chǔ)氫材料方向?qū)＠?0951 件；固態(tài)儲(chǔ)氫材料共有7877 件，其中化學(xué)反應(yīng)類儲(chǔ)氫材料共有專利6557 件，物理吸附類固態(tài)儲(chǔ)氫材料共有專利525 件，此外還有1599 件固態(tài)儲(chǔ)氫裝置類的專利。由此可知，在稀土儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用方向上，以鎳氫電池方面的應(yīng)用研究最為熱門，已有較多專利和技術(shù)積累。從固態(tài)儲(chǔ)氫材料的專利申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，固態(tài)儲(chǔ)氫材料的專利申請(qǐng)尚處于萌芽期，近20 年的專利申請(qǐng)量趨于穩(wěn)定，年專利申請(qǐng)量在200-300 件之間。固態(tài)儲(chǔ)氫材料的發(fā)展歷史較短，因此專利較少；固態(tài)儲(chǔ)氫材料的技術(shù)分支中，以化學(xué)反應(yīng)類儲(chǔ)氫材料的研究最為熱門，其次是固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，帶稀土基的吸附類固體儲(chǔ)氫材料的專利較少。

由圖3 可知，稀土儲(chǔ)氫材料全球?qū)＠夹g(shù)主要應(yīng)用方向的專利申請(qǐng)趨勢(shì)特點(diǎn)，這與各技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)密切相關(guān)。

圖3 稀土儲(chǔ)氫材料全球?qū)＠饕夹g(shù)方向?qū)＠植?/p>

由圖4 可知，稀土鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料的專利自2009 年起大體上呈先增后降的趨勢(shì)，2018 年達(dá)到專利申請(qǐng)的最高峰，2019 年至今專利申請(qǐng)略有下降。由于隨著鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展及普及，部分使用鎳氫電池產(chǎn)品逐步被鋰電池替代，市場(chǎng)的研究重心向鋰電池技術(shù)偏移，影響了鎳氫電池及鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料的市場(chǎng)和開發(fā)熱情。

圖4 稀土儲(chǔ)氫材料主要技術(shù)應(yīng)用方向?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

雖然鎳氫電池的充電速度和能量密度低于鋰電池，但鎳氫電池具有技術(shù)成熟、電池制造成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，仍會(huì)廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車、專業(yè)電子設(shè)備、照明、通訊、數(shù)碼產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域。雖然稀土儲(chǔ)氫電極材料未能得到大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用，近幾年產(chǎn)業(yè)專利申請(qǐng)情況未能呈現(xiàn)良好的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著全球其他國(guó)家也開始關(guān)注稀土儲(chǔ)氫電池，中國(guó)也加快了稀土儲(chǔ)氫電池的研發(fā)與發(fā)展，未來(lái)幾年鎳氫電池負(fù)電極儲(chǔ)氫材料將繼續(xù)保持高質(zhì)量發(fā)展步伐，不斷獲得技術(shù)突破，加快實(shí)現(xiàn)鎳氫電池的國(guó)產(chǎn)化。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮?，值得重點(diǎn)關(guān)注。改變目前過(guò)度依賴煤炭、石油等化石能源制氫的現(xiàn)狀，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。