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此前，在我们2024年3月21日的文章中，我们修改了旨在提高水电解制氢效率的最新专利。该技术的另一个重要问题是水电解设施的运营成本较高，例如电力消耗、定期维护、更换退化或腐蚀的元件等。今天我们将看一下与此主题相关的最新专利。为此，我们收集了过去 5 年发布的 400 多项专利。这些专利可以涉及任何现有的电解技术，并解决除了高运营成本之外的其他问题。

首先，让我们根据近期电解专利池中的专利份额来检查排名靠前的申请人名单，旨在解决高运营成本的问题：

Applicants’ share in the intellectual property market, %. Patents, 2019-2023

Value: Market involvement ratio*; Y axis: Ownership ratio;Bubble size: Volume ratio.
*(Market involvement ratio = volume ratio multiplied by ownership ratio, where Volume ratio - share of applicant documents in total number of documents, Ownership ratio - applicant's participation share in total number of documents)

在下面的图表中，我们提供了有关类型的信息作者在他们的发明中使用了电解。领先的一组文件属于碱性水电解，其次是聚合物电解质膜电解和固体氧化物电解：

就旨在解决高运营成本问题的近期电解专利集中涵盖的电解的特殊方面而言，电解槽是最重要的。最广泛遇到的技术元素。接下来是公开系统整体和高温蒸汽电解的发明：

以下是分配给这些发明的顶级 IPC 指数：
 

根据国际专利分类，上述IPC指数有以下定义： C25B1/04——通过水的电解； C25B11/091-由至少一种催化元素和至少一种催化化合物组成；由两种或多种催化元素或催化化合物组成； C25B11/06——按所用催化材料分类； B82Y40/00-纳米结构的制造或处理； C25B15/08-供应或去除反应物或电解质；电解质再生； C25B9/19——带隔膜； B82Y30/00 - 材料或表面科学纳米技术，例如纳米复合材料； C25B9/23-包含其中或其上嵌入电极材料的离子交换膜； C25B11/031——多孔电极； C25B11/075 - 由单一催化元素或催化化合物组成。
从评分点来看，以下是水电解解决高运营成本问题的近期专利集中最突出的文献：

评分：21
CN114196966B / CAS DICP 大连化学物理研究所 (CN) / 质子膜和 CCM（连续电流模块）质子交换膜水电解一体化制备方法及装置；
KR101991730B1 / De Nora Permelec Ltd (JP)；川崎重工业株式会社（日本）/碱性水电解用阳极及碱性水电解用阳极的制造方法；
JP6615682B2 / De Nora Permelec Ltd (JP)；川崎重工业株式会社（日本）/碱性水电解用阳极及碱性水电解用阳极的制造方法；
评级：20
CN112126946B / CAS DICP 大连化学物理研究所 / 酸碱水电解用复合膜及其制备方法和应用；
US11118274B2 / 3M Innovative Properties Company (美国) / 用于二氧化碳电解槽的离子聚合物膜；
US10619255B2 / De Nora Permelec Ltd (JP)；川崎重工业株式会社（日本）/碱性水电解用阳极及碱性水电解用阳极的制造方法；
CA3018074C / De Nora Permelec Ltd (JP)；川崎重工业株式会社（日本）/碱性水电解用阳极及碱性水电解用阳极的制造方法；
CN108779563B / De Nora Permelec Ltd (JP);川崎重工业株式会社（日本）/碱性水电解用阳极及碱性水电解用阳极的制造方法；
FR3045215B1 / Commissariat à l'énergieatomique et aux énergies Alternatives (FR) / 用于夹紧高温 SOEC/SOFC 堆的独立系统；
US10263264B2/原子能和辅助能源替代品（FR）/高温电解或共电解的方法，通过SOFC燃料电池发电的方法，以及相关的互连器、反应器和操作方法。

该集合中包含的最大专利族，并且在过去五年中至少发布了一项专利，包括 38 份专利文件，以核心文件 US11371153B2 为代表（核心文件是可提供发明完整说明的基础文件）在普遍可访问的专利数据库中）。随后是两个专利族，包括36和35个专利文件（分别为US11566541B2和US20180245224A1）：

水电解装置的操作方法/ P：US11371153B2/IPC：C25B15/02、C02F1/42、C25B15/08、C25B13/08 , C25B1/04, C25B9/19, C25B9/23, C25B9/73 / Höller Stefan / Hoeller Electrolyzer Gmbh (DE) / 应用。日期：2018年4月23日；出版。日期：2022年6月28日 / 美国专利商标局 / 核心文件：US11371153B2 / 技术类别：PEME / 技术要素：SAW / 问题：LEMP、HORR / 技术解决方案类型：D、M / 权利要求：17 / 评级：16；
带热能储存系统的固体氧化物电解系统 / P：US11566541B2 / IPC：F01K3/02、B63H11/00、B63H11/12、B63H11/14、B63H11/16、F01K3/08、F01K3/18、F01K11/02、F01K13/ 02、F01K15/00、F01K19/04、F03D9/18、F03G6/00、F22B29/06、F22B35/10、F28D20/00、H01M8/04007、H01M8/04014、H01M8/04029、H02J1/10、H02J3/0 0, H02J3/04、H02M1/00 / 奥唐纳约翰·塞特尔；冯·贝伦斯·彼得·埃默里；等人。 / Rondo Energy Inc.（美国）/应用程序。日期：2022 年 2 月 9 日；出版。日期：2023年1月31日 / 美国专利商标局 / 核心文件：US11566541B2 / 技术类别：SOEL / 技术要素：HTSE、SAW / 问题：LESP、HORR、HOOC / 技术解决方案类型：D、M / 权利要求：30 /评级：17；
电解槽 / A：US20180245224A1 / IPC：C25B1/46、C25B11/03、C25B15/00、C25B11/04、C25B11/051、C25B1/04、C25B9/19、C25B9/73 / Takahashi Suguru；圆野昭宏；等人。 / De Nora Permelec Ltd (JP) / 应用。日期：2017年4月27日；出版。日期：2018年8月30日 / 美国专利商标局 / 核心文档：US20180245224A1 / 技术类别：AEL / 技术要素：Els / 问题：HORR、HOOC、HCM、ESI / 技术方案类型：D / 权利要求：7 / 评级： 12.

上述文件中使用了以下缩写： D - 设备； M——方法； AEL——碱性水电解； PEME——聚合物电解质膜电解； SOEL——固体氧化物电解； ESI——环境和安全问题； HCM——材料成本高； HOOC - 高运营成本/运营和消耗品； HORR - 高运营成本/维修和更换； LEMP——低效率/主流程； LESP——低效率/二次加工； HTSE——高温蒸汽电解； Els - 电解槽； SAW——整个系统。

以下是来自该系列中一些最大专利族的文件的简短摘要：

Rondo Energy Inc.（美国）于 2023 年 1 月 31 日发布的专利 US11566541B2 公开了一种可用于固体氧化物水中的热能存储 (TES) 系统电解系统，以减少电解过程所需的功率。在 TES 中，流体（例如水或 CO ₂）通过流体运动系统流经由可再生能源驱动的加热元件加热的存储介质。流体被加热，然后直接加热到工作温度范围为 700°C - 900°C 的固体氧化物电解池。然后流体再循环至 TES 以提取剩余的热量。在电解池中，流体被分成阳极侧流和阴极侧流，其中氧气从阳极扫出，阴极侧流与氢气一起离开电解池，然后将产物引导至二级或三级过程（例如热循环发电、精炼过程、预热以进一步回收）。电路中可以使用两种流体，分别用于阴极和阳极。该系统还可适用于合成气生产或以燃料电池模式运行。本发明的权利要求还提供了一种操作系统的方法。
据作者介绍，除了提高电解装置的效率之外，该系统还旨在防止热失控，从而缩短现有技术解决方案中加热器的使用寿命
。该发明属于一个由 2022 年至 2023 年在美国、澳大利亚、加拿大、WO 和欧洲专利局公布的 36 份专利文件组成的家族。

Image from: US11566541B2
1 - system; 2 - input energy source; 4 - infrastructure; 5 - input; 10 - thermal energy storage system; 12 - thermal storage structure; 15 - control system; 16 - interface; 19 - additional communication interface; 20 - output; 21 - relevant data sources; 22 - downstream process; 13A - first thermal storage blocks; 13B - second thermal storage blocks; 14A - first assemblage; 14B - second assemblage; 17A,17B,18A,18B - interfaces.

核心专利申请 US20180245224A1 于 2018 年 8 月 30 日公布，其中一项发明已获得多项专利。该家庭的文件由 De Nora Permelec Ltd (JP) 出版。该文件公开了一种电解槽，其包括阳极室中的阳极、阴极室中的阴极、室之间的隔膜、设置（未耦合但电连接）的“……由含镍的烧结体形成的反向电流吸收体”任一室的内部。电解槽还包括与阴极相对并联接至反向电流吸收体的阴极集电器以及相应的阳极集电器。反向电流吸收体附接到限定电极室和电极支撑构件的框架体。烧结体中的镍含量为45～90质量％，反向电流吸收体的密度为2.00～6.51g/cm ³。
参考现有技术解决方案，作者指出，为了防止阴极因反向电流而退化，在关机时使用弱电流，这使得氢气有可能泄漏并与氧气混合，从而形成爆炸性气体混合物。避免爆炸风险会导致额外的资本和运营成本。作者提到对反向电流的耐久性是本发明的目的。

该专利族于 2017 年至 2021 年在美国、澳大利亚、加拿大、WO、韩国、波兰、欧洲、香港、日本、南非和中国发布。

Image from: US20180245224A1
100 - electrolytic cell; 102 - frame-like frame; 102A - gasket-bearing surfaces; 104 - partition wall; 106 - gasket; 108 - support member; 110 - anode chamber; 114 - anode; 116 - buffer plate; 120 - cathode chamber; 122 - cathode structure; 126 - elastic body; 128 - cathode current collector; 130 - cathode; 132 - conductive substrate; 134 - reverse current absorption body.

2020年4月14日授予De Nora Permelec Ltd (JP)和Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP)的专利US10619255B2公开了一种用于碱性水电解的阳极，其具有导电基底，该导电基底具有包含Ni或Ni基合金的表面和二元合金。基底上的层状催化剂。第一层(形成在导电基板上)包含镧系镍钴钙钛矿氧化物，而第二层(形成在第一层上)包含氧化铱或氧化钌。根据本发明的权利要求，第一层中的成分的化学式为XNiaCo _1-a O ₃，其中0<a<1且X为镧、铈或镨。此外，作者提出第一层的成分公式为 XNi _0.2 Co _0.8 O ₃以镧作为镧系元素，并且其中第二催化剂的量为至少0.2g/m ²。
本发明人的目的是生产一种表现出良好的耐腐蚀性和降低的过电势的碱性水电解阳极。
该专利属于 2017 年至 2021 年间在俄罗斯、美国、澳大利亚、加拿大、WO、韩国、台湾、波兰、欧洲、日本、南非和中国发布的 20 份专利文件。

Image from: US10619255B2
1 - conductive substrate; 2 - first catalyst layer; 3 - second catalyst layer.

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