近十年全球绿色制氢技术发展态势分析

郑征

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202101007

科学观察 ›› 2021, Vol. 16 ›› Issue (1) :96-108 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202101007

研究论文

近十年全球绿色制氢技术发展态势分析

郑征

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Global Development Trends of Green Hydrogen Production in Recent Ten Years

Zheng Zheng

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摘要

氢能是一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,具有较高的能量密度和可再生性,被认为是最具应用前景的能源之一,各国已将氢能的开发与利用纳入国家能源战略布局中。氢的制备技术是开发利用氢能的关键性技术之一,如何制备清洁的“绿氢”,是该项技术研究的焦点。该文以科学引文索引扩展数据库（SCIE）和智慧芽（PatSnap）专利数据库为数据源,采用文献计量和专利分析相结合的方法,从年代、国家、机构、主题等角度,分析近10年全球绿色制氢技术在基础研究及技术研发方面的发展态势。结果显示：2010年以后,绿色制氢技术领域无论是发文量还是专利申请量一直保持增长趋势,专利公开授权量也大幅增长。中国是绿色制氢技术领域主要的研究国家,但论文综合影响力不如美国。除中国以外,美国、日本、德国和韩国在绿色制氢方面从基础研究到产品应用也均有所涉及。从研究机构上看,绿色制氢技术领域的论文多由高校或研究机构完成,而专利的申请主体主要是公司。光电催化分解水制氢以及石墨/石墨烯电极制备是当前基础研究的热点也是技术研发的焦点,未来在二氧化钛电极、燃料电池制备的研究和开发值得关注。

Abstract

Hydrogen energy is a clean, efficient, safe and sustainable new energy source. With high energy density and reproducibility, it is regarded as one of the most promising energy sources. Countries have incorporated the development and utilization of hydrogen energy into the national energy strategic layout. Hydrogen production technology is one of the key technologies to develop and utilize hydrogen energy. How to prepare clean "green hydrogen" is the focus of this technology research. Using science Citation Index Extension Database (SCIE) and PatSnap patent database as the main data sources, adopting the method of combining bibliometric analysis and patent analysis to analyze the global development trends of hydrogen production technology in basic research and technology R&D in recent ten years from the perspective of years, countries, institutions and topics. The results show: after 2012, both the number of publications and patent applications in the field of green hydrogen production technology have maintained a growing trend, and the number of patent grants has also increased significantly. China is the major research country in the field of green hydrogen production technology, but its comprehensive influence is not as great as that of the United States. In addition to China, the United States, Japan, Germany and South Korea are also involved in green hydrogen production, from basic research to product applications. From the perspective of research institutions, papers in the field of green hydrogen production technology are mostly completed by universities or research institutions, while the main body of patent application is the company. Photocatalytic decomposition of water to produce hydrogen and preparation of graphite / graphene electrode are the focus of basic research and technical development at present. In the future, the research and development of titanium dioxide electrode and fuel cell preparation are worthy of attention.

Graphical abstract

关键词

绿色制氢 / 文献计量 / 专利分析 / 研发态势 / 光电催化分解水 / 石墨/石墨烯电极

Key words

green hydrogen production / bibliometric analysis / patent analysis / development trends / photocatalytic de composition of water / graphite/graphene electrode.

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郑征. 近十年全球绿色制氢技术发展态势分析[J]. 科学观察, 2021, 16(1): 96-108 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202101007

Zheng Zheng. Global Development Trends of Green Hydrogen Production in Recent Ten Years[J]. Science Focus, 2021, 16(1): 96-108 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202101007

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1 引言

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源^[1],各国已将氢能的开发与利用纳入国家能源战略布局中。2020年以来,美国、德国、挪威、欧盟等相继发布了氢能发展策略。2020年1月,美国能源部宣布将提供多达6 400万美元的资金,用于推进氢产业链的创新发展^[2]。6月,德国通过了《国家氢能战略》,明确了“绿氢”的优先投资地位,德国国家氢能委员会同时宣告成立^[3]。挪威也发布了绿色转型一揽子计划,其中特别提到了发展氢战略、海上风电、循环经济、绿色航运等绿色能源形式的解决方案^[4]。7月,欧盟发布欧盟氢战略,希望在2024年之前安装至少6GW的电解槽,可生产多达100万吨的可再生氢,以促进欧盟在2025年之前实现气候中和的目标^[5]。中国国家能源局也将氢能产业研究列入2020年度能源软科学研究选题指南^[6],且早在2018年中国就成立了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟（简称“中国氢能联盟”）^[7]。9月,国际能源署（IEA）发布最新《能源技术展望2020》报告,报告指出氢能将在实现全球零净排放方面发挥巨大作用^[8]。此外,资源匮乏的日本在研究氢能方面起步比较早,迄今,日本燃料电池的技术开发以及氢的制造、运输、存储技术已基本成熟^[9]。为加速推进日本氢能社会构建,2017年12月日本经济产业省发布了《氢能基本战略》^[10],明确设定了中长期氢能发展目标,并为此制定了十大行动计划。2019年3月,日本氢能和燃料电池战略委员会发布了新的《氢能和燃料电池战略路线图：实现“氢能社会”工业界-学术界-政界联合行动计划》^[11]。

氢的制备技术是开发利用氢能的关键性技术,如何制备清洁的“绿氢”是该项技术研究的焦点。其中,水分解制氢是制备绿氢的主要技术。本文将从文献计量分析和专利分析两个角度,对近10年来全球绿色制氢技术领域的发展态势进行分析。

2 绿色制氢技术领域的文献计量分析

本文以Web of Science平台上的SCIE数据库为数据源,检索2010年至今发表的主题为“电解水制氢”、“光电分解水制氢”、“光催化分解水制氢”、“生物制氢”以及“风电制氢”的论文,检索式为：主题=((hydrogen near/0 generat* or hydrogen near/0 product* or h2 near/0 generat* or h2 near/0 product* or prepare* near/0 hydrogen or prepare near/0 h2) and (electroly* near/0 water or water near split* or water near decompos* or photoly* near/0 water or photocataly* near/0 water or photochem* near/0 water or electroly* near/0 H2O or H2O near/0 split* or H2O near/0 decompos* or photoly* near/0 H2O or photocataly* near/0 H2O or photochem* near/0 H2O or “wind power ” or “wind energy” or “wind electric*” or biomass)) and 出版年=(2010–2020),检索时间为2020年9月8日,其中文献类型限定为Article 或Review,共检索到12 673篇论文。具体从发文时间、国家、机构、期刊、作者及技术主题等维度进行分析。此外,本文主要借助DDA进行数据的清洗及挖掘,利用VOSviewer软件进行关键词共现聚类分析及主要国家、研究机构之间的合作网络分析,利用CiteSpace软件进行研究领域发展趋势分析。

2.1 发文量年度变化趋势

2010年至今,全球共发表绿色制氢技术相关研究论文12 673篇。从图1可以看出,自2010年以来,该领域发文一直保持增长趋势,且发文量逐年增加（2020年数据尚不完整）。2015年以后,每年发文量均超过1 000篇,仅2019年当年就有1 916篇论文发表,是2010年的4倍,表明绿色制氢技术研究已引起科研人员的广泛关注。

2.2 国家/地区发文分析

由图2可见,近10年绿色制氢技术发文量排名前10位的国家/地区依次是中国、美国、印度、日本、韩国、加拿大、德国、英国、西班牙和澳大利亚。中国以39.09%的份额遥遥领先于其他国家,美国以12.74%的份额排在第2位,其他8个国家的论文份额基本在3%~7%,属于同一级别。以上10个国家的发文量共计11 364篇,占总发文量的89.67%。此外,中美两国的发文量合计占总发文量的51.83%,可见全球绿色制氢技术研究主要集中在中美两国。

表1和图3展示了绿色制氢技术领域发文量排名前10位的国家/地区,指标包括总被引频次、篇均被引频次以及H指数。这些指标可以反映论文发表之后产生的学术影响力。中国的总被引频次和H指数排名第1,但篇均被引频次排名第6,不及各项指标均排名第2的美国;日本、德国在各项影响力指标上的表现均较为抢眼,且较为均衡;澳大利亚的发文量虽然排在末位,但其总被引频次排名第4、篇均被引频次排名第1、H指数排名第5,同样值得关注。

基于TOP10国家的发文量、篇均被引频次和H指数3个指标作气泡图（图3）,可更直观地看出各国发文及影响力情况,其中,气泡大小表示发文量多少。从图中可以看出,中国在发文量和H指数上超过美国,但篇均被引频次远低于美国,也低于澳大利亚、英国、日本和德国。

图4是基于论文合作情况,绘制出的绿色制氢技术领域发文量最多的前25位国家（地区）之间的合作关系。图中圆圈大小代表发文量多少,连线粗细代表合作程度高低,不同颜色代表不同的合作集群。从图4可以发现,中国与其他24个国家均存在合作关系,且与美国、澳大利亚、日本及新加坡的合作较为紧密。

2.3 主要研究机构发文分析

在研究发文机构的过程中,对机构名称变体以及相关隶属机构署名发文的相关数据进行清理合并,最终主要机构发文数据如图5所示。发文量超过100篇的机构共有12家,分别是中国科学院、西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国科技大学、清华大学、天津大学、南洋理工大学、东京大学、浙江大学、上海交通大学、福州大学和华中科技大学。这12家机构共发文2 467篇,约占总发文量的19.5%。

图6展示了绿色制氢技术领域发文量TOP35的研究机构的合作网络。从图6可以看出,许多国内研究机构之间存在交叉合作关系。例如,中国科学院与中科院大学、中国科学技术大学、清华大学、同济大学等存在合作关系;清华大学与北京化工大学、天津大学等存在合作关系;西安交通大学与山东大学、大连理工大学的存在合作关系。此外,国内研究机构与国外研究机构也建立了合作关系,如南洋理工大学与中国科学院、中国科学技术大学、上海交通大学、同济大学等多家机构存在合作关系;洛桑理工学院与中国科学技术大学、同济大学存在合作关系;利兹大学与清华大学、东南大学、华中科技大学存在合作关系。

2.4 研究主题分析

利用VOSviewer 软件对近10年来制氢技术领域论文中出现的高频关键词进行聚类分析,如图7。其中词频不低于20的关键词共752个,在图中显示为圆圈大、链节多的节点。从高频关键词聚类的网络视图可以看出,制氢技术领域的研究重点集中在光催化/光电催化制氢、生物制氢、电极研究（特别是石墨/石墨烯电极制备）等方面。

在分析绿色制氢研究领域发展趋势时,选用了CiteSpace软件,其时区视图功能可以形象地展现研究热点随着时间变化而发生的演变。图8展示了近5年绿色制氢领域研究热点演变情况。从图中可以看出,近两年,光催化、二氧化钛纳米粒、电化学氧化、CO₂利用等研究受到科研人员的关注。

此外,近两年绿色制氢技术出现一些新成果。如2019年,以色列理工大学Hen Dotan等^[12]采用E-TAC（电化学-热活化）水分解制氢技术实现了单位能量氢气产出提升30%,成本下降50%,并消除了氢氧混合爆炸的风险。2020年初,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）和华盛顿州立大学（Washington State University）的科学家们组成了一个合作研究团队^[13],研发高季铵化聚苯乙烯离子聚物用于高性能阴离子交换膜水电解槽制备氢气,结果表明,该水分解系统使用离子浓度最高的粘结剂和镍铁析氧催化剂可为快速电化学反应提供高pH值的环境,从而有效提高电解槽性能。

3 绿色制氢技术领域的专利研发态势分析

专利是技术研发产出的直接体现,是衡量技术研发实力的重要依据。本文以绿色制氢技术专利为基础数据源,利用智慧芽（PatSnap）全球专利数据库进行检索,检索策略为：(TA:(“hydrogen generat*” or “hydrogen product*” or “product* hydrogen” or “generat* hydrogen” or “h2 generat*” or “h2 product*” or “product* h2” or “generat* h2” or “prepare* hydrogen ” or “prepare h2” or “制氢” or “产氢” or “氢气制备” or “制备氢气”) AND TA:(“electroly* water” or “water electroly*” or “water split*” or “water decompos*” or “split* water” or “decompos* water” or “photoly* water” or “water photoly*” or “photocataly* water” or “photochem* water” or “electroly* H2O” or “H2O electroly*” or “H2O split*” or “H2O decompos*” or “split* H2O” or “decompos* H2O” or “photoly* H2O” or “H2O photoly*” or “photocataly* H2O” or “photochem* H2O” or “wind power ” or “wind energy” or “wind electric*” or biomass or “电解水” or “分解水” or “水分解” or “光电解” or “光催化” or “光电催化” or “风电制氢” or “生物” or “电化学”)) OR IPC:(C01B3) AND APD:[20100101 TO*],获取2010至今的专利数据,并筛选法律状态为“授权”、“实质审查”以及“公开”的记录,共得到86 858件专利申请。本文从专利申请量、申请国、申请人、重点技术等多个维度分析绿色制氢技术领域的研发态势。

3.1 申请及公开（授权）趋势分析

从近10年绿色制氢技术专利申请年度分布（图9）来看：2010年以来,专利申请一直保持逐年增长的发展态势,且申请数量逐年增加（由于数据更新迟滞,2019年数据尚不完整,2020年数据图中未显示）,且增长速度越来越快。与此同时,专利授权也呈现出同样的发展趋势,绿色制氢技术领域的发展势头迅猛,如图10所示。

3.2 主要专利申请及受理国家/地区分布

图11给出了近10年绿色制氢技术专利申请数量排名前10位的国家/地区。从图中可以看出,绿色制氢技术领域绝大多数专利申请集中在中国,共计39 686件,占全部专利申请量的45.7%,占TOP10国家专利申请总量的51%;其他专利申请较多的国家/地区有日本（14 628件）、美国（9 414件）、韩国（6 237件）和德国（3 236件）。

由绿色制氢技术专利受理国家/地区分布情况可以看出（图12）,中国和日本是绿色制氢专利申请人最重视的市场,其次是美国、韩国、欧洲专利局以及中国台湾等。

3.3 主要专利申请人（专利权人）分析

图13~15给出了近10年绿色制氢技术专利申请数量排名前15位的专利申请人（专利权人）及其申请趋势和主要技术分布。

从机构类型看,企业申请人居多,排名前15位的专利申请人中有12家企业。其中排在前5位的申请人分别是中国石油化工股份有限公司、株式会社LG化学、巴斯夫欧洲公司、独立行政法人产业技术综合研究所以及瓦克尔化学股份公司。从所属国别来看,除清华大学、中国科学院大连化学物理研究所以及鸿海精密工业股份有限公司之外,其他12位专利申请人均为国外机构。

从申请时间看,中国石油化工股份有限公司自2010年起专利申请逐年增多（2019年数据尚不完整）,2011年以后年申请量超过100件;株式会社LG化学表现出与中石化相似的专利申请态势,但其申请量在2014年以后才迅猛增长,年申请量超过100件;巴斯夫欧洲公司的专利申请时间集中在2012–2015年,2016年后申请量有所下降;独立行政法人产业技术综合研究所每年大约70件的专利申请,申请量较为稳定;瓦克尔化学股份公司的专利申请集中在2013–2017年,2018年后申请量迅速下降;另有些机构在某些年份申请量表现突出,如松下知识产权经营株式会社和乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司2017年的专利申请量均破百,埃克森研究工程公司2014年的专利申请量较多,赫多特普索化工设备公司2018年的专利申请量与前一年相比翻了一番。

从技术分布看,中国石油化工股份有限公司在C01B39（具有分子筛和碱交换特性的化合物,如结晶沸石,下同）、B01J29（包含分子筛的催化剂〔2〕,下同）、C01B3（氢;含氢混合气;从含氢混合气中分离氢;氢的净化,下同）、B01J23（不包含在B01J21/00组中的,包含金属或金属氧化物或氢氧化物的催化剂,下同）及C01B32（碳,下同）等技术方向上布局较多;株式会社LG化学布局较多的技术方向是C01B32、C01B33（硅,下同）、H01M4（电极,下同）及H01M10（二次电池,下同）;巴斯夫欧洲公司重点布局在C01B39、B01J29、C01B3、C01B32、B01J35（一般以其形态或物理性质为特征的催化剂,下同）方面,与中国石油化工股份有限公司的布局趋同;埃克森研究工程公司在C01B39、B01J29、C01B3、B01J20（固体吸附剂组合物或过滤助剂组合物;用于色谱的吸附剂等,下同）、B01D53（气体或蒸气的分离;从气体中回收挥发性溶剂的蒸气等,下同）以及H01M8（燃料电池）方面布局较多;独立行政法人产业技术综合研究所重点布局在C01B32、C01B33和C01B3方面。而在C01B3方面,乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司、松下知识产权经营株式会社、赫多特普索化工设备公司以及中国石油化工股份有限公司的布局较多,其次是埃克森研究工程公司和巴斯夫欧洲公司,以上机构均有超过100件的专利申请;中国科学院大连化学物理研究所和独立行政法人产业技术综合研究所紧随其后,在C01B3方面也有超过90件的专利申请。在H01M4和H01M10方面,株式会社LG化学和信越化学工业株式会社布局较多。而在H01M8方面,松下知识产权经营株式会社和埃克森研究工程公司布局较多。

3.4 重点技术主题分析

IPC是国际通用的、标准化的专利技术分类体系,蕴含着丰富的专利技术信息。通过对绿色制氢技术领域专利的IPC进行统计分析,可以及时、准确地获取该领域涉及的主要技术主题和研发重点。表2列出了制氢技术领域专利申请数量排名前10位的IPC分类号及其申请情况。从表2可以看出,近10年绿色制氢技术领域专利申请主要集中在C01B32、C01B33、C01B3、C01B31、C01B39、H01M4、B01D53等大类下,即碳或氢的分离与净化以及电极制备等方面,在二次电池和燃料电池等应用方面的专利相对较少。

进一步通过IPC聚类生成技术领域聚类地形图。专利地图是技术领域布局可视化的表现形式,高峰代表了技术聚焦的领域,低谷则意味着技术盲点（存在潜在的机会或者待开拓的领域）。从图16可以看出目前重点研发焦点在多晶硅、电解池、光电催化等方面。

4 结论

本文通过简要概述美国、日本、欧盟、德国、中国等在发展氢能方面的部署策略,重点对近10年绿色制氢技术领域的研究论文及专利数据进行分析,总结绿色制氢技术领域的发展态势如下。

（1）2010年以来,绿色制氢技术研究热度逐年升温,无论是发文量还是专利申请量一直保持增长趋势,专利公开授权量也大幅增长。可见在基础研究逐渐发展的同时,应用转化也在同步进行。

（2）在绿色制氢技术领域,中国是主要的研究国家。从文献计量角度看,相比其他国家/地区,中国的论文产出遥遥领先,但在论文综合影响力上不及美国。除中国外,美国、印度、日本、韩国、加拿大和德国也是较为活跃的国家。在国际合作上,中国与美国、澳大利亚、日本、新加坡的合作较为紧密。在专利领域,中国的专利申请量占专利申请总量的45.7%,占TOP10国家专利申请量合计的51.0%。除中国外,日本、美国、韩国和德国的专利申请也较多。对比之下能够发现,美国、日本、德国、韩国在制氢方面从基础研究到产品应用均有所涉及。

（3）通过专利和文献分别分析制氢技术的研究机构,呈现出了不同的结果。学术论文方面,绿色制氢技术领域的论文多由高校或研究机构完成,其中中国科学院、西安交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学是国内绿色制氢技术论文发表较多的研究机构,且他们之间存在交叉合作关系。与论文的主要发表主体不同,企业是绿色制氢技术领域的专利申请主体,且专利布局各有侧重。中国石油化工股份有限公司和巴斯夫欧洲公司在气体分离（包括碳和氢）领域布局较多;韩国株式会社LG则侧重电极和二次电池制备;埃克森公司的专利布局较为全面,不仅涉及气体分离净化,在燃料电池领域亦有布局;日本松下知识产权经营株式会社侧重于氢的制备分离净化以及燃料电池制造;此外,乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司和赫多特普索化工设备公司在氢的制备分离净化方面布局较多。

（4）从研究主题来看,从高频关键词聚类的网络视图可以看出,绿色制氢研究重点集中在光催化/光电催化制氢、生物制氢、电极研究（特别是石墨/石墨烯电极制备）等方面;光催化、二氧化钛纳米粒、电化学氧化、CO₂利用等研究在近两年受到科研人员的关注。制氢技术专利的IPC号统计显示,多数专利申请集中碳或氢的分离与净化以及电极制备等方面,在二次电池和燃料电池等应用方面的专利相对较少;从专利地图来看,目前的重点研发焦点在多晶硅、电解池、光电催化等方面。

参考文献

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