基于CiteSpace的国内外氢燃料电池研究知识图谱分析

龚 林，刘 丹，张 璐，卢 辉

( 1.武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学 学生工作部，湖北 武汉 430070；4.中国地质大学(武汉) 经济管理学院，湖北 武汉 430070)

2019年，我国化石能源占一次能源消费的比重已达到84.7%，随着消耗的持续增加，化石能源正面临着枯竭的风险[1,2]。在使用化石能源的过程中，也会带来严重的环境污染和温室效应。氢作为清洁能源，其能量密度(140 MJ/kg)是石油能量密度的3倍，煤炭能量密度的4.5倍[3]，被视为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁。氢燃料电池是一种以氢气为燃料，通过电化学反应，直接将氢(燃料)的化学能转化成电能的能量转换装置，其优点是能量转化效率高、无振动、无噪声、零污染等，相关技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。

在新一轮能源革命的驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以实现低碳、清洁的发展模式[4]。2014年，美国发布了《全面能源战略》，确定了氢能在美国交通转型中的引领作用；2019年，日本修订了《氢/燃料电池战略路线图》，描述了氢能技术三步走的战略；2020年，欧盟发布了《欧盟能源系统整合》和《气候中性的欧洲的氢能战略》，为欧洲未来30年清洁能源特别是氢能的发展指明了方向。我国也积极跟进氢能相关的发展战略，国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备的重点任务[5]，发布了《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》，阐述了氢能发展趋势、发展展望和关键技术，从科学和数据的角度为我国氢能及燃料电池产业提供行业参考和政策、投融资建议。

科学知识图谱分析是在计算机科学、信息科学以及数据库技术等基础上逐渐发展起来的[6]，被广泛应用于多种学科的分析和解读，CiteSpace是CHEN等[7]开发的基于Java平台的一种文献可视化分析软件。在氢能源研究领域，已有多位学者绘制了氢能[8]、氢储存[9]、制氢[10,11]等方面的知识图谱，然而针对氢燃料电池研究领域尚存空缺。笔者以中国知网和Web of Science中氢燃料电池为主题的核心期刊论文为研究对象，从文献的发表趋势、期刊来源、研究机构、关键词共现、高被引文献、关键词共现与突现等方面绘制国内外氢燃料电池研究的知识图谱，旨在揭示1995—2021年氢燃料电池研究领域的知识演进脉络，厘清当下研究热点，为该细分领域的研究提供参考。

1 数据与方法

(1)中文文献数据来源：以中国知网(CNKI)为文献检索平台，在高级检索中设置主题为“氢燃料电池”，选取核心期刊所刊载的论文作为文献来源，时间段为1995.01.01—2021.10.16，精确检索得到634篇文献。经过数据处理和人工逐篇阅读筛选，最终确定398篇有效文献作为样本数据，以RefWorks格式导出文献。

(2)英文文献数据来源：在Web of Science中，选择“Web of Science核心合集”数据库，以“hydrogen fuel cell”为关键词进行搜索，时间段为1995.01.01—2021.10.16，引文索引选择全部期刊，共检索出2122篇文献，以“其他文件格式”中的“纯文本”导出文献。

2 文献总体概况

2.1 文献发表趋势分析

研究领域的文献数量变化是衡量这一领域发展状况的重要指标，也是衡量该领域知识积累量和成熟度的重要指标。1995—2021年氢燃料电池领域中、英文文献年发文量如图1所示。

(1)中文文献发文量趋势分析：1995—2000年为起步阶段，研究较少，发文量为个位数；2001—2009年为缓慢增长期，发文量在2001年首次突破10篇，缓慢增长且略有波动；2010—2016年，该领域的研究文献呈下降趋势；2017—2018年发文量回升；2019—2020年发文量下降；2021年发文量急速上升，达到峰值53篇，这与2020年国家及地方出台了多个重要氢能相关政策文件有关。从中英文文献发文量对比看，中文文献总量不高，筛选后核心期刊论文只有398篇，说明目前我国在该领域知识积累量较少、成熟度不够，仍需深入研究。这是由于前期国家将新能源战略的关注点集中在锂电池的研发与应用领域，对氢燃料电池的研究起步较晚，研究基础较为薄弱，核心技术难以攻克，所以该领域的研究相对国外比较迟缓。

图1 1995—2021年氢燃料电池领域中、英文文献年发文量

(2)英文文献发文量趋势分析：虽然1995—1999年英文发文量为0，但该阶段国外对氢燃料电池领域已有大量研究，如美国早在1970年已提出氢经济概念，将氢能及燃料电池列入能源战略；2000—2004年为缓慢增长期且略有波动，该阶段年发文量均未超过20篇；2005—2021为稳定增长期，整体大致呈上升趋势，年发文量达到最大值263篇。英文文献发文量较多，是因为许多国家普遍将氢能作为推动能源创新发展的重要方向，截至2021年2月，全球已有30多个国家发布了氢能路线图，部分发达国家如美国、日本、韩国、德国等已把氢能规划上升到国家能源战略高度，共同推动了氢燃料电池在国际上的研究与发展。

2.2 文献期刊来源分析

通过分析文献期刊的发文量来把握该领域的横向研究动态，中、英文文献发文量前10的期刊(含并列)如表1所示。

(1)中文文献期刊统计分析。从发文期刊类别看，398篇文献中大多发表在化学、技术类期刊，其中电源技术47篇，占比11.809%，现代化工24篇，占比6.030%，化工进展23篇，占比5.779%。排名前3期刊刊载量之和占比23.618%，由此可看出，氢燃料电池领域的中文发文期刊比较分散，发文较多的期刊如电源技术、现代化工的影响因子较低，缺乏权威性和代表性；影响因子最高的期刊是催化学报为2.741，但是发文量较少。

(2)英文文献期刊统计分析。英文文献相关研究主要刊登在能源、材料领域的出版物上，《JOURNAL OF POWER SOURCES》、《JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE》、《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》、《ENERGY》等是氢燃料电池研究领域的权威期刊，其影响因子均在7.000以上，反映了以上刊物在氢燃料电池研究领域的学术影响力和学术地位。刊载量排名前3的国际期刊占比25.353%，表明氢燃料电池领域的英文发文期刊也比较分散，还未形成相对集中的氢燃料电池研究刊物群。

表1 国内外文献来源期刊统计

2.3 关键机构分布特征

1995—2021年在氢燃料电池研究领域贡献较大的10大机构如表2所示，按发表氢燃料电池领域的论文数量进行排序。在国内外氢燃料电池的相关研究机构中，除了美国能源部外，发文量前8的机构均来自韩国。主要原因在于，一方面韩国政府将氢能研发列为“21世纪前沿科学计划”的主攻技术领域之一，并成立了“氢能研发中心”，在“能源技术研发的10年计划”框架下开展氢燃料电池研究[12]；另一方面，韩国最大车企现代汽车公司也推动了对氢燃料电池的研究，早在1998年就专门针对车用燃料电池堆和系统技术的研发成立了麻北生态技术研究院。总体来看，在发文量排名前10的机构中，篇均被引次数最高的是墨西哥的国立自治大学，高达47.61。我国研究机构尚未出现在前10排名中，说明了我国在氢燃料电池领域的研究尚有欠缺，存在很大的发展空间。

表2 氢燃料电池排名前10的相关研究机构

2.4 十大高被引文献分析特征

高被引文献是指被引用频次较高，被引用周期相对较长的学术论文，反映论文的影响力及其在学术交流中的作用和地位。考虑文献被引次数的多少会受到发表时间长短的影响，论文所获得的影响力往往会出现延迟的情况，选取年均被引次数大于其“年龄”(2021年与论文发表年份之差)的文献[13]，国内外氢燃料电池领域年均被引用次数最多的10篇论文如表3所示，可知高被引文献大部分来自发文总量较多的国家，有7篇出自韩国和美国，年均被引频次最高的文献来自德国，德国属于欧盟成员国，全球70%以上的燃料电池与氢能示范项目在欧洲开展，德国处于领先位置。排名第5的文献来自中国，发表年份较近为2019年，说明近年来我国对该领域的关注和成效大幅提升。

表3 氢燃料电池研究领域被引次数排名前10的文献

3 氢燃料电池领域发展脉络分析

3.1 关键词共现知识图谱分析

关键词代表了一篇文献的核心思想和主题，当多篇文献的关键词表现出显著的一致性时，说明文献之间具有相关性。对文献关键词进行共现网络分析，能更直观地挖掘某一领域的发展脉络、研究热点和方向[14]。中英文文献的关键词共现图谱如图2所示，节点代表高频关键词，节点越大，出现频率越高；紫色外圈表示该关键词出现的年份较早且仍然是现在的研究热点；各个节点的连线表示两端的关键词在同一篇文献出现，线的粗细与共现频次呈正相关。

图2 氢燃料电池关键词共现网络图谱

(1)中文文献关键词共现分析：中文关键词共现网络图谱中，共有508个节点，943条连线，频次选择前10(含并列，共12个)的关键词列入表4。关键词的频次代表研究领域的热点情况，在1995—2021年，氢燃料电池(171)、制氢(65)、氢能(59)的节点较大，与其他节点连线数量较多，是氢燃料电池研究领域的重要研究主题；关键词催化剂(34)、甲醇(19)、氢气(18)等节点次之。中心度表示节点在网络中的重要性，值越大，影响程度越大。中介中心性大于等于0.10的节点被称为关键节点，燃料电池(0.72)、制氢(0.20)、氢能(0.26)、催化剂(0.13)的中心度均大于0.10，说明这些关键词在氢燃料电池研究中有着明显的承上启下的作用。

表4 氢燃料电池高频次关键词

(2)英文文献关键词共现分析：英文关键词共现网络图谱中，共有576个节点，2218条连线，频次选择前10(含并列，共11个)的关键词列入表4。在2000—2021年，performance(335)节点最大，与其他节点连线数量较多，是英文文献在氢燃料电池研究领域的重要方向；system(148)、catalyst(119)、nanoparticle(110)等节点频次次之。composite、fuel cell的中心度等于0.10，说明这两个词有承前启后的作用，研究热点之间转化关系较强，在整个网络中的“中介”作用能力强。

按照氢燃料电池产业链的上游、中游、下游分类，进一步介绍其产业概况，结果如表5所示。我国1995—2021年氢燃料电池产业链上游涉及各种制氢和储氢的研究，如甲醇制氢、硼氢化钠制氢、水解制氢、乙醇制氢、二甲醚制氢、生物制氢、储氢材料、加氢站等；中游与氢燃料电池零件方面的研究有关，包括燃料电池、催化剂、双极板、电极、膜电极、导电率、添加剂等，但以上研究论文数量不多，仍需大量的后续研究；下游与氢燃料电池的应用有关，目前零散分布于交通、工业等行业。此外，还包含了一些其他意义宽泛的关键词，如清洁能源、净化、环境、碳中和、节能减排等。总体而言，对氢燃料电池核心部件的研究较少，技术成熟度低，导致氢燃料电池产业链整体较为薄弱。

表5 关键词分类

3.2 关键词突现知识图谱分析

突现词即突现主题词，是从大量主题词中将时间变化率高、频次增长速度快的词汇中探测出来，能反映研究热点和学术前沿。关键词在某段时间内突然发生改变，表示研究方向的变化[15]。氢燃料电池1995—2021年中文关键词、突现强度、突现持续时间如表6所示。

(1)突现强度较大的关键词是“甲醇”(4.96)和“氢源”(4.49)，表明在1999—2000年，国内学者对“甲醇”、“氢源”的研究热度高。从突现时间来看，“氢源”、“甲醇”和“电极”的突现时间较早，说明早期对以上3者关注较多。甲醇制氢可在站内制氢，现制现用，无需H2的大量运输与储存。甲醇制氢技术作为加氢站氢源优势明显，不仅原料广泛，而且经济性好，节能减排效果明显，具有实用性。膜电极组件是燃料电池的核心部分，目前第一代、第二代膜电极组件已基本成熟，国内新源动力、武汉新能源等公司均可以提供膜电极产品。

(2)2004—2014年，“制氢”、“硼氢化钠”、“氧化铝”、“氢能源”、“新能源”、“氢气”关键词明显突现，“硼氢化钠”水解制氢、“氧化铝”作催化剂、“氢能源”、“氢气”等说明这一阶段的研究重点是制氢，而如何降低制氢成本是推广氢燃料电池的重要环节之一。

(3)2015—2021年，“电动汽车”、“氢储能”和“加氢站”开始突现。国内汽车所依赖的能源主要是不可再生的化石能源，要降低对石油的依赖，道路交通是关键的一环。氢是理想的可替代清洁能源，但氢是最轻的元素，也是最小的分子，常温常压下氢的密度只有水的万分之一，因此存在高密度储存氢的难题，容易造成氢气泄漏。新建加氢站和将现有的加油站改造成加氢站成本高、难度大，加氢站的建设、运营成本高出普通加油站近10倍左右[16]，在氢燃料电池车发展初期，加氢站的数量和布局是制约市场规模的重要因素。在加氢站设备方面，氢气压缩机、加注机等主要依赖国外进口，缺乏自主权。

表6 氢燃料电池领域从 1995—2021 年中文突现词、突现强度及突现持续时间

氢燃料电池2011—2021年英文关键词、突现强度、突现持续时间如表7所示。

表7 氢燃料电池领域 2011—2021 年英文突现词、突现强度及突现持续时间

(1)突现强度大的关键词是“mixture”(8.67)、“electrode”(6.74)和“hydride”(6.24)，表明英文文献对氢燃料电池混合电动车、电极、氢化物的研究热度较高。氢燃料电池混合动力车采用蓄电池作为辅助动力源和燃料电池并联，共同为汽车提供能力，它与传统汽车相比，有一系列的显著优势：反应产物为水，不存在电气干扰；线路条件与非电气化线路安全兼容；受气候影响小，有快速、高效的应急作用等。“electrode”对应的是对膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)的研究，膜电极制备技术已演化为第三代膜电极，而第三代膜电极的有序结构不仅有效降低了传质阻力，还增加了电池催化活性而降低Pt载量，提高了膜电极的耐久性。但有序化膜电极中，除了3M公司的纳米超薄膜电极可以实现商业化以外，其余的还处于研发阶段。氢化物方面的多为研究利用金属氢化物储氢，相对于其他的储氢方式，金属氢化物储氢具有压力平稳、充氢简单、安全方便等优点，单位体积储氢的密度可达相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。

(2)2011—2016年，“mixture”、“film”、“hydride”、“hydrogen storage”、“dynamics”、“electrode”等关键词开始突现。“film”是指薄膜，在一块氢燃料电池中，经常会用到全氟磺酸薄膜，但它会随着时间的推移而慢慢磨损，造成对电池的损伤。但检测薄膜品质好坏几乎不可能，而替换组装好的膜电极则成本高昂，故学者们对薄膜展开了大量的研究，终于在2017年美国特拉华大学研究员成功研发一种可以自愈的薄膜，有利于延长氢燃料电池的使用寿命。“dynamics”是指动力学模型，可用于氢燃料电池领域的相关研究。对比表6和表7可知，“hydrogen storage”在2012年突现开始，2015年突现结束，而中文文献对“氢储能”的研究相对滞后，在2016年才开始突现；2004—2014年中文文献的主要突现关键词为制氢，研究方向单一，缺少多元化发展。

(3)2016—2021年，“exchange membrane”和“energy storage”关键词开始突现，相对于中文文献的近5年关键词突现，英文文献对“电动汽车”、“加氢站”的研究虽没有产生关键词突现，但氢燃料电池在美国、欧洲和日本等地区已经进入商业示范阶段，并加速了加氢站的建设。根据国外H2stations网站统计数据显示，截至2020年底，全球共有553个加氢站投入运营，2020年新投运107座加氢站。在“exchange membrane”研究方面，国际上所使用的质子交换膜(PEM)类型包含改性全氟磺酸(PFSA)膜、磺化烃类聚合物(SHPs)及其复合膜、磷酸(H3PO4)掺杂的PBI和ABPBI膜、酸碱膜4类。而全氟磺酸型PEM因具有极高的化学稳定性，而被广泛应用。目前PEM基本由国外垄断和控制，国内仍处于研究阶段，尚未达到量产能力。

4 结论

运用知识图谱的方法，对1995—2021年在中国知网和Web of Science数据库中刊载的氢燃料电池文献进行知识图谱分析，结论如下：

(1)从发表趋势看，中、英文献年发文量均呈波动式增长，但中文文献总发文量仅有398篇，表明我国在氢燃料电池领域的知识积累量较少、成熟度不够，仍需深入研究。从期刊来源看，中文文献大多来自化学、技术类期刊，但发文量较高的期刊影响因子较低，缺乏权威性，且发文期刊分散；英文文献在化学、技术类权威期刊发文量较多，但尚未形成相对集中的氢燃料电池研究刊物群。

(2)从关键机构看，发文量较多的机构大部分来自于韩国，这与韩国政府对氢燃料电池领域的重视程度和韩国最大车企现代汽车公司的推动有关；我国在该领域存在很大的发展空间。从高被引文献看，高被引文献大多来自韩国和美国，年均被引次数最高的来自德国，表明这些国家在氢燃料电池领域的领先地位。

(3)从关键词共现知识图谱看，中文文献的氢燃料电池、制氢、氢能节点较大，与其他节点连线多，燃料电池、制氢、氢能、催化剂中介中心性均大于0.1；英文文献的performance节点最大、连线最多，composite、fuel cell具有承前启后的作用。从关键词突现知识图谱看，中文关键词突现相对单一，缺乏多元化研究，部分研究较滞后，对电动汽车、加氢站的研究是目前潜在的研究热点。

(4)从氢燃料电池的发展趋势来看，氢燃料电池是当前国内研究的热点领域，尚处于初期阶段，研究深度和广度有待加强，研究对象的多元化有待提升，“卡脖子”的关键材料与核心部件的批量生产技术尚未形成，如催化剂、隔膜、碳纸、空压机、氢气循环泵等仍主要依靠进口。另外，氢燃料电池的使用成本高、产业链的不健全、产业政策不完善等问题也制约了该产业的发展。通过优化制氢、储运氢技术，降低氢燃料电池使用成本；加强研发投入，掌握核心技术，建设产业集群；科学制定产业规划，构建政策保障体系，才能真正实现氢燃料电池产业的突破与优化，未来在清洁、经济、高效的核心部件与材料研发方面，具有广阔的科研前景。