在產業界的眼光中，氫（Hydrogen）能源向來被看成理想性高、但實用性低的選項。不過，從專利佈局的數據來看，也已經有不少企業默默耕耘地突破各個痛點，期待氫能源能盡早商業化。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

當代科技業巨擘、特斯拉汽車執行長伊隆‧馬斯克曾經多次批評，發展氫能源是極端愚蠢的點子，還戲謔地稱呼氫燃料電池（fuel cell）為笨蛋電池（fool cell）。他的理由很簡單：氫氣需要極大的空間儲存，而且不像太陽能、風能可以從自然界直接收集，必須再透過水電解（water electrolysis）或是從石化燃料中開採，不但效率差，也沒辦法完全解決碳排放問題。

事實不全然是這樣。國際再生能源總署（IRENA）估計，比起從石油、天然氣中取得氫氣，水電解的碳足跡更低，而且只要海水淨化可行，即使缺水國家也能生產氫氣。此外，在生產等量電力的前提下，水電解製氫所需的土地面積也遠低於風力、太陽能所需。所以，只要生產氫氣的效率和成本能夠進入商業量產階段，氫能源仍然值得開發。

事實上，正由於全球對淨零碳排以及新興能源的需求都愈來愈高，這些年來，對於水電解製氫技術的研究和專利佈局也愈發興盛。根據IRENA與歐洲專利局（EPO）的聯合研究，在2005年到2020年間，在水電解製氫技術上，總共發表了超過1萬個專利家族，每年度發布數量的成長率約為18%。其中，在2005年至2015年間的成長率不算太明顯，但在2016年後，水電解技術的專利量開始爆發性成長，光是2016年就比2015年多出了212件，2020年發布的專利家族量更已逼近1900件（圖1）。

近五年來，水電解製氫專利急速成長

圖1：2005~2020年間，每年水電解技術國際專利家族發布數

資料來源：Innovation trends in electrolysers for hydrogen production, EPO & IRENA, 2022/05/12

以國別/地區來看，中國大陸權利人所握有的專利數量最多，15年來總共有5383件專利，遙遙領先排名第2、第3、第4的日本、韓國、美國。然而，如果只看國際佈局，中國大陸權利人的握有的外國專利量卻僅有179件，與法國的180件差不多，更比不上日本的731件和美國的559件（圖2）。

換句話說，雖然中國大陸在水電解製氫專利上有著絕對的數量優勢，但大部分僅在國內完成申請，國際影響力非常有限；反觀日本、美國、德國的國際申請量與申請比率都相當高，爭奪國際話語權的意圖相當明顯。

圖2：2005~2020年間，全球前十大水電解製氫技術國家/地區

資料來源：Innovation trends in electrolysers for hydrogen production, EPO & IRENA, 2022/05/12

從全球前10大專利權人來看，這個差異更為明顯。雖然專利總量多，但沒有一家中國大陸企業能夠擠進全球前10大水電解技術專利權人的名單內；裡面反而有高達5家日本企業，例如綜合電機產業的Toshiba、Panasonic（Panasonic IP management與Panansonic排名時採分別計算），汽車產業的Honda以及化工產業的Asahi Chemical（旭化成），反映出日本產業界對於氫能源的重視以及專利布局深度（表1）。

此外，前10名榜單中也有兩家德國的老牌機電業者：Siemens以及Robert Bosch，以及各一家的法國、韓國、丹麥廠商。它們未來都將是氫能源產業中的要角。

表1：2005~2020年間，全球前10大水電解製氫專利權人

資料來源：Innovation trends in electrolysers for hydrogen production, EPO & IRENA, 2022/05/12

在恆溫、恆壓中穩定製氫是當前重點技術

水電解製氫可分成五大子領域：電解槽環境控制（Cell operation）、電觸媒材料（Electrocatalyst material）、隔膜（Separators）、電解槽堆疊（Stackability of electrolysers）以及光電催化（Photoelectrolysis）。其中，與生產效率及成本最息息相關的電解槽環境控制和隔膜技術，也是這15年來技術投入最多、專利佈局也較深的兩個子領域，專利數量分別有8645件及7084件，合計占比高達91%（圖3）

圖2：2005~2020年間，水電解製氫技術五大子技術領域專利數量

資料來源：Innovation trends in electrolysers for hydrogen production, EPO & IRENA, 2022/05/12

為了能順利產出氫氣，過去在必須嚴格控制水電解過程的氣壓與溫度，但也因此提高了生產成本，也不利於水電解技術的產業應用。因此，這些年來的研發重點，就是如何在常溫、常壓的環境下，也能夠順利產出氫氣，相關的專利布局數量更是從2015年就開始以每年70%的速度成長。另一方面，水電解的過程會同時產生氫氣與氧氣，必須用隔膜加以分離才能蒐集。目前新興技術是以有機的高分子聚合物作為隔膜材質，以提升水電解的運作效率並降低成本。

也許在未來5年甚至10年，我們都還看不到氫能源的大規模商業應用，但隨著人類社會逐步告別傳統石化燃料，以及人類整體生活水準的不斷提升，氫能源的未來想必十分值得期待。

資料來源：

Hydrogen production with electrolysers is emerging, EPO, 2022/05/12

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