深度分析 | 国际氢能技术发展路线与研发主题分析

氢能作为清洁、高效、可存储的二次能源，在交通、电力、工业、建筑低碳转型发展中能够发挥重大作用，被公认为是未来构建碳中和社会的制高点之一。世界主要发达国家均已实施国家级氢能发展战略。本文通过对主要发达国家/地区的氢能研发战略规划以及相关权威研究报告的文本内容分析，总结出氢能产业链技术发展路线共性特征；并基于全球SCI学术论文的科学计量和主题模型语义聚类研究，分析了我国和领先国家在氢能技术研究主题的布局差异。

（ 1 ）低碳、绿色成为制氢技术的主要发展方向

制氢技术的总体趋势是向低碳化、绿色化发展，短期内推进现有的石油和化工制氢清洁化，探索清洁煤制氢和配备碳捕集、利用与封存（CCUS）系统工程示范，提高化石燃料制氢效率并降低二氧化碳排放；中长期内将以可再生能源电解水制氢技术和可再生能源发电与电解槽-燃料电池或可逆燃料电池相结合的制氢-发电集成系统为主。

（ 2 ）氢气储运技术将注重开发更高效、易运输的氢载体材料，并加强氢能新型基础设施网络建设

当前氢气主要以压缩气体或液体形式存储和输送，除对当前的主流储氢技术如高压气态储氢、低温液态储氢进行改进外，更为高效、易于运输管道输氢和基于载体材料的储氢方式成为主要探索方向。金属氢化物、复合氢化物、多孔材料以及液体有机氢载体等储氢材料的产业化仍需要较长时间。除此以外，推进氢能新型基础设施建设也成为各国发展重点，包括改造现有天然气管网掺混氢气输配，建设大规模输氢专用管道、固定/移动式加氢站、大规模地质储氢设施等。

（ 3 ）氢能应用将在提升现有燃料电池系统性能的同时探索灵活、高效的多能融合解决方案

当前氢能应用大多基于燃料电池用做固定式、移动式电源，通过关键组件材料开发、电堆及系统结构设计和制造工艺优化等，重点开发质子交换膜燃料电池技术，改进现有燃料电池效率和寿命并降低成本。长期来看，阴离子交换膜燃料电池可以作为储备技术提前布局开发。

未来对氢能的应用将逐渐从单一场景向复合系统发展，如“可再生能源发电→制氢→制甲醇→化工原料”和“电→氢→电”系统，探索基于氢能的多能融合新概念：以氢能作为关键的能源载体，促进多种能源资源的灵活互补，并通过转化为电/热/气或作为原料促进电力、交通、建筑、化工、钢铁等多个部门实现脱碳。

（ 1 ）我国电解制氢基础研究方面具有一定后发优势，在热点及新兴前沿主题的发文体量领先，但原创性不足

电解制氢技术发文量前3位的国家是中国、美国和韩国，该领域共识别出6个研究主题（图1） ^[1] 。从主题强度全球占比来看我国在所有主题中均居首位，但从新颖度方面来看美国布局较早，反映源头技术原始创新仍发端于美国。该技术领域当前主要聚焦于质子交换膜电解槽、碱性电解槽和固体氧化物电解槽等方面研究，热点前沿主题主要有2个：析氢析氧催化剂性能研究，过渡金属（铁钴镍）基材料催化剂性能研究。我国学者对这两个主题均较为关注，已发表SCI论文主题强度分别占全球的81%和64%，大幅领先于美国和韩国。该技术领域的新兴前沿主题有1个：高效双功能/三功能纳米电催化剂的性能研究，我国学者对该主题的研究也保持了较高热度（主题强度占比70%）。2016年以来，该主题强度呈现快速上升态势，一些发达国家/地区也对该主题较为重视，欧盟最新研发规划中已布局加快开发多功能催化剂和纳米级催化剂。

图1 电解制氢技术研究主题

（ 2 ）我国在先进储氢基础研究方面落后于德国和美国，金属氢化物储氢、液体有机储氢技术研究与发达国家并跑

金属氢化物储氢在先进储氢技术中相对成熟，共识别出10个主题（图2左） ^[2] 。该技术发文量前3位的国家是中国、美国和日本，从主题强度全球占比来看我国大部分主题领先，而从新颖度来看原始创新主要起源于美国和日本。该技术的热点前沿主题有3个：储氢合金的储氢及电化学性能，金属氢化物吸脱氢过程传热和传质，新型储氢系统及设施的开发和设计。我国仅在金属氢化物吸脱氢过程传热和传质方面有较高研究热度（强度占比51%），其余两个领域最高仅16%，其中新型储氢系统及设施的开发和设计方面落后于美国。

液体有机储氢技术（LOHC）共识别出6个主题（图2右） ^[3] 。该技术发文量前3位是中国、德国和美国，从主题强度全球占比来看我国微弱领先，新颖度指标显示原始创新主要起源于德国和美国。热点前沿主题为液体有机储氢材料研究，我国在该主题的强度占比仅为22%，落后于德国（27%）。该领域新兴前沿主题有2个：液体有机储氢供应和运输系统的分析及研究，液体有机储氢加氢/脱氢多相催化剂的开发。我国在后一主题的研究强度占全球37%，居于首位，表明我国学者对于该主题有较高关注度；但我国对前一主题的关注较少（14%），落后于德国（27%），其原因可能是我国尚处于LOHC技术的早期开发阶段，系统层面的研究较少。

图2 金属氢化物储氢（左图）和LOHC技术（右图）研究主题

（ 3 ）我国燃料电池技术布局晚于发达国家，处于跟跑阶段

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是发展相对成熟的燃料电池技术，共识别出9个主题（图3左） ^[4] 。发文量前3位国家是中国、美国和韩国，主题强度占比方面我国微弱领先，新颖度指标显示原始创新主要源于美国。该技术的热点前沿主题有2个：催化剂对氧还原反应的影响，PEMFC运行控制模拟及优化。上述主题均为提升性能、降低成本的关键技术，我国的强度占比分别为31%和16%，仍需加强研究以进一步提升产业化竞争力。该技术的新兴前沿主题为温度对PEMFC的动态影响，目前国际上重视开发高温PEMFC，我国在该主题的强度占比为22%，略高于美国（14%）和韩国（12%）。值得注意的是，我国在PEMFC技术包括衰弱主题在内的所有9个主题的布局均晚于其他国家，表明原始创新主要来自发达国家。

固体氧化物燃料电池（SOFC）发文量前3位是中国、美国和韩国，从主题强度占比来看我国具有一定优势，新颖度方面显示美国布局较早。该技术共识别出8个主题（图3右） ^[5] ，其中热点前沿主题有3个：中温SOFC阴极材料研究，SOFC热电联产等混合系统研究，新型导体材料性能研究。中温SOFC是SOFC的主要发展趋势，我国对其阴极材料研究投入力度较大（强度占比达52%），对新型导体材料性能研究方面强度占比（21%）低于美国（29%）。SOFC技术的新兴前沿主题有3个：SOFC运行建模及预测控制，SOFC连接件合金材料及涂层抗氧化性能研究和改进，SOFC电解质材料结构、电导率及热膨胀研究。上述主题均与SOFC运行稳定性密切相关，是推进其商业化应用的关键。我国对这3个主题的强度占比略高于美国，但美国对各主题的布局均早于我国。

图3 PEMFC（左图）和SOFC技术（右图）研究主题

（ 岳芳   陈伟 ）

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