Aenert news. Invention analysis

Die Wasserelektrolyse unter Verwendung einer Protonenaustauschmembran (PEM) ist die vielversprechendste Methode zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff ohne Kohlenoxidemissionen. Der grundlegende Unterschied zwischen dieser Technologie und anderen Elektrolysemethoden besteht in der Verwendung eines festen Polymerelektrolyten (SPE) als Trennmembran, der für die elektrische Isolierung von Anode und Kathode sowie für die Trennung der Gasprodukte der Elektrolyse - Sauerstoff und Wasserstoff - sorgt.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Polymermembranen ist ihre hohe Protonenleitfähigkeit (H+). Darüber hinaus hat die PEM eine kompakte Bauweise, kann bei hohen Stromdichten betrieben werden, hat einen hohen Ausgangsdruck und ermöglicht einen hohen Ausgangsdruck.

In diesem Fall laufen an den Elektroden folgende Reaktionen ab:

Anode: H2O = 2H+ +1/2O2+ 2e-

Kathode: 2H+ + 2e-= H2

Bei der Wasserelektrolyse mit PEM wird das Wasser also an der Anode in Sauerstoff, Wasserstoffprotonen und Elektronen aufgespalten, und an der Kathode kommt es zur Rekombination von Protonen und Elektronen zu Wasser.

Trotz dieser unbedingten und erheblichen Vorteile gegenüber anderen Elektrolysearten hat die PEM jedoch auch eine Reihe gravierender Nachteile. Vor allem ist die Notwendigkeit zu erwähnen, als Katalysatoren Edelmetalle zu verwenden, die die beste Leistung aufweisen. An der Kathode, wo der Wasserstoff freigesetzt wird, werden Katalysatoren auf Basis von Platin (Pt) und Palladium (Pd) verwendet. An der Anode, wo die Sauerstofffreisetzungsreaktion stattfindet, werden am häufigsten Rutheniumoxide (RuO2) und Iridiumoxide (IrO2) verwendet. Derzeit werden zahlreiche Studien durchgeführt, um billigere Materialien für Katalysatoren zu finden. Für Kathoden haben MoS2-Verbindungen, Kohlenstoffnanoröhren, A-Ni-C und andere gewisse Aussichten.

Die größten Aussichten hat höchstwahrscheinlich Palladium, das wesentlich billiger als Platin und in der Natur häufiger vorkommt. Die Oxide IrO2und RuO2besitzen eine Reihe notwendiger Eigenschaften für Anoden, vor allem eine hohe Metallleitfähigkeit. Gleichzeitig weist RuO 2 eine gute Produktivität und Aktivität, jedoch keine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. IrO2ist stabiler, weist jedoch eine geringere Produktivität auf. Dies erklärt die Versuche, aus diesen Metallen bimetallische Oxide zu gewinnen. Der hohe Preis von Iridium erfordert jedoch eine Suche nach Materialien, die sich grundsätzlich von den Oxiden unedler Metalle unterscheiden. In diesem Fall werden TiO2, MnO2, Nb2O5und Sb2O5am häufigsten genannt.

PEM-Membranen werden am häufigsten aus Perfluorsulfonsäurepolymeren hergestellt. Sie erfordern eine hohe Festigkeit, Dimensionsstabilität, hohe Protonenleitfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit und andere Eigenschaften. Natürlich erfordert das Erreichen des optimalen Verhältnisses der besten Indikatoren für eine ziemlich lange Liste von Membrananforderungen die Notwendigkeit zusätzlicher eingehender Forschung in diesem Bereich.

Einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der PEM-Technologie leisten verschiedene technische Lösungen, die in Form von Erfindungen präsentiert werden. In Zukunft werden wir eine Reihe von Artikeln veröffentlichen, in denen wichtige Errungenschaften der technischen Forschung auf dem Gebiet der PEM hervorgehoben werden, die in jüngsten Patenten veröffentlicht wurden. In diesem Artikel präsentieren wir einen kurzen statistischen Überblick über Patentdokumente zu PEM für den Zeitraum von 2003 bis 2023 und stellen auch Listen der wichtigsten Patente nach verschiedenen Kriterien zur Verfügung. Insgesamt enthält unsere Datenbank etwa 2000 Patentdokumente zu PEM, darunter 565 Patente. Alle Dokumente wurden aus öffentlich verfügbaren Patentdatenbanken unter Verwendung von Elementen der künstlichen Intelligenz mit anschließender visueller Überprüfung ausgewählt.

Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich, wächst die Zahl der Patentdokumente lawinenartig an. Es ist zu beachten, dass die Daten für 2023 noch nicht vollständig verarbeitet und für 2024 noch nicht vollständig veröffentlicht bzw. erfasst wurden.

Breakdown of patent documents by publication date

Unter den Patentämtern, die die meisten Patente erteilt haben, waren JPO – 161 Patente (28,5 %), CNIPA (CN) – 136 (24 %) und USPTO (US) – 125 (22 %) führend.

Countries participating in the patenting process. Patents, 2003-2023


Relativ wenige Patente wurden in EPO – 52 (9,2 %) und KIPO (KR) – 25 (4,4 %) erteilt. Somit wurden etwas mehr als 88 % der Patente zum Thema PEM in den fünf führenden Patentämtern der Welt erteilt, was in etwa der gängigen Praxis für die meisten Patentthemen entspricht. Insgesamt wurden in 20 Patentämtern Patente erteilt.

Die Klassifizierung der Patente nach der Zugehörigkeit zu den wichtigsten technologischen Elementen zeigte, dass das beliebteste Thema die Prüfung verschiedener Designoptionen für PEM-Elektrolyseure war – mehr als 52 %. Anoden und Kathoden waren für die Erfinder in 9 bzw. 10 % der Fälle von Interesse. Membranen und Elektrolyte kamen in 14 % der Patente vor. Neue Herstellungsverfahren und Zusammensetzungen von Katalysatoren werden in 10 % der Patente beschrieben.

Breakdown of patent by technology elements. 2003-2023 (by the number of mentions in documents) – left;

Breakdown of documents by technical problems. Patents, 2003-2023 (by the number of mentions in patent documents) - right
   
Els – Electrolyser; And – Anode; Cat – Cathode; Mem – Membrane = 62; Elct – Electrolyte; Ctls – Catalyst; Ctrl – Control & monitoring  

LEMP – Low efficiency / Main process; LEG - Low efficiency general; LESP – Low efficiency / Secondary process; HCPC – High CAPEX / Plant construction; HCEP – High CAPEX / Equipment production; HORR – High OPEX / Repair & replacement; HOOC – High OPEX / Operation & consumables; HCM - High Cost maintenance; HCG – High Cost general ; ESI – Environmental and Safety issues; UP – Unclear problem

Bei der Analyse der Probleme und Arten von Erfindungen haben wir die Anzahl ihrer Erwähnungen im Verhältnis zur Gesamtzahl der Patente berücksichtigt, da in einem Patent oft mehrere Probleme behandelt werden und sich die technische Lösung auf zwei, manchmal drei Arten bezieht.

Eine Reihe von technischen Problemen, die durch das semantische Thema Niedrige Effizienz/Hauptprozess vereint werden, wurde in 52 % der Patente erwähnt. Wie bei anderen Arten von Elektrolyseuren sind also auch bei PEM die beliebtesten technischen Lösungen jene, die auf die Lösung von Problemen mit niedriger Effizienz abzielen.

Unter den Problemen im Zusammenhang mit den hohen Kosten von Designelementen oder einzelnen PEM-Prozessen wurden hohe Investitionskosten/Geräteproduktion (9 % der Nennungen) und hohe Wartungskosten (13 %) am häufigsten genannt. Erfinder zeigten recht großes Interesse an Problemen im Zusammenhang mit Umwelt- und Sicherheitsfragen (9 % der Nennungen).

Das Verhältnis der Erfindungsarten nach der Anzahl ihrer Vorkommen in Patentdokumenten ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Distribution of patents by type of invention

In Bezug auf die Rangfolge der Punkte sind die wichtigsten Dokumente in unserer PEM-Erfindungssammlung die folgenden:

Bewertung: 21

CN114196966B / Integriertes Herstellungsverfahren und Gerät für Protonenmembran und CCM (Dauerstrommodul) zur PEM-Wasserelektrolyse (Protonenaustauschmembran)/ Dalian Institute of Chemical Physics of CAS/ Veröffentlichung 28.03.2023

Bewertung: 20

US11094953B2 / Elektrodenmembrananordnung mit Sauerstoffentwicklungskatalysatorelektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung/ 3M Innovative Properties Co/Veröffentlichung 17.08.2021

Bewertung: 19

US11214880B2 / Wasserelektrolysesystem und Kontrollverfahren dafür/ Honda Motor Co Ltd/Veröffentlichung 04.01.2022

JP6334652B2 / Katalysatorelektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung/ 3M Innovative Properties Co/ Veröffentlichung 2018-05-30

JP6960095B2 / Poröses Metallmaterial, unlösliche Anode, Brennstoffzellenelektrode, Wasserstoffproduktionsausrüstung, Biomaterial und Herstellungsverfahren für poröses Metallmaterial / Sumitomo Electric Industries Ltd / Veröffentlichung 2021.11.05

CN114196967B / Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrode für die Wasserelektrolyse einer PEM (Protonenaustauschmembran) mit hohem Massentransfer / Dalian Institute of Chemical Physics of CAS / Veröffentlichung 2022-12-13

CN112111757B/ Verbundmembran für Hochtemperatur-Wasserelektrolyse und Herstellungsverfahren und Anwendung davon/ Dalian Institute of Chemical Physics of CAS/ Veröffentlichung 2022.05.10

FR3003694B1 / VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER MEMBRAN-ELEKTRODEN-BAUGRUPPE/ Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA/ Veröffentlichung 2015.04.24

CN114196965B / Protonenmembran und CCM (Dauerstrommodul) integriertes Herstellungsverfahren und Ausrüstung für PEM (Protonenaustauschmembran) Wasserelektrolyse/ Dalian Institute of Chemical Physics of CAS/ Veröffentlichung 2023.03.31

In dieser Sammlung umfassen die größten Patentfamilien derjenigen, für die in den letzten fünf Jahren mindestens ein Patent veröffentlicht wurde, 54, 38 und 26 Patentdokumente und werden durch die Kerndokumente US11018345B2, US11371153B2 und US10214821B2 bzw. (Kerndokument ist ein Basisdokument, für das eine vollständige Beschreibung der Erfindung in allgemein zugänglichen Patentdatenbanken verfügbar ist):

Verfahren und elektrochemische Zelle zur Durchführung elektrochemischer Reaktionen / P: US11018345B2 / IPC: H01M4/86, C25B1/13, C25B1/14, C25B1/245, C25B1/26, C25B1/30, C25B9/19, C25B11/031, C25C7/00, H01M4/88, H01M8/04089, H01M8/08, H01M8/083, / Swiegers Gerhard Frederick; Nattestad Andrew; Antiohos Dennis; et al. / Aquahydrex PTY Ltd (AU) / Anmeldedatum: 28.01.2019; Veröffentlich Datum: 25.05.2021 / United States Patent and Trademark Office / Kerndokument: US11018345B2 / Technologiekategorien: PEME / Technologieelemente: Els / Probleme: LEMP, HCM, LEHD / Typen technischer Lösungen: M, C / Ansprüche: 26 / Wertung: 16; Patentfamiliengröße 54

Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung / 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) / Anmeldedatum: 23.04.2018; Veröffentlich Datum: 28.06.2022 / US-Patent- und Markenamt / Kerndokument: US11371153B2 / Technologiekategorien: PEME / Technologieelemente: SAW / Probleme: LEMP, HORR / Technische Lösungstypen: D, M / Ansprüche: 17 / Bewertung: 16; Patentfamiliengröße 38

Elektrolyseur und Energiesystem/ P: US10214821B2 / IPC: C25B9/06, C25B15/02, C25B1/04, C25B9/17, C25B9/18, C25B9/70, G06Q30/04, G06Q50/06, Y02E60/36, Y02E60/366, Y02E70/10, Y02P20/133, Y02P20/133/ Nathaniel Ian Joos, Joseph Cargnelli/ Hydrogenics Corp/ Anmeldedatum: 27.05.2013; Veröffentlich. Datum: 26.02.2019 / United States Patent and Trademark Office / Kerndokument: US11371153B2 / Technologiekategorien: PEME / Technologieelemente: AEL, PEME, Els / Probleme: LEMP / Technische Lösungstypen: D / Ansprüche: 15 / Bewertung: 14; Patentfamiliengröße 22

Von der Redaktion                                                                                                                                                        PDF-Version herunterladen