侯 禹，孟 浩，傅俊英，鄭 佳

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

應(yīng)對(duì)氣候變化已成為全球共識(shí)。燃料電池作為一種將燃料中儲(chǔ)存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置［1］，能量轉(zhuǎn)化效率極高，具有環(huán)境友好、燃料廣泛等優(yōu)點(diǎn)［2］，是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一。固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell,SOFC）作為第三代燃料電池，相較于其他類型燃料電池，燃料適用范圍更廣、運(yùn)行安靜，且通過熱電聯(lián)供能夠達(dá)到80%以上的能量轉(zhuǎn)換效率［3］；同時(shí)，因其采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)其他燃料電池材料腐蝕以及泄露的問題［4］。近年來(lái)，合金、納米材料等在固體燃料電池中的使用進(jìn)一步提高了SOFC 的運(yùn)行效率，還有效降低了電池的工作溫度。因此，SOFC 對(duì)于推動(dòng)中國(guó)能源轉(zhuǎn)型、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和莊嚴(yán)承諾具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

1 文獻(xiàn)分析及方案設(shè)計(jì)

中外學(xué)者已在多種角度下對(duì)SOFC 技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了研究。例如，Marina 等［5］認(rèn)為國(guó)家創(chuàng)新體系是造成美日兩國(guó)在SOFC 技術(shù)領(lǐng)域趕上歐洲并產(chǎn)生路徑差異的原因之一，并通過關(guān)鍵歷史事件與專利數(shù)據(jù)論證了國(guó)家創(chuàng)新體系對(duì)SOFC 技術(shù)從理論發(fā)展到應(yīng)用的重要貢獻(xiàn)；Antje 等［6］通過構(gòu)建社會(huì)合著網(wǎng)絡(luò)，利用專利計(jì)量的方式研究燃料電池從科學(xué)跨越到技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界在燃料電池領(lǐng)域有活躍的合作現(xiàn)象；Takaya 等［7］利用文獻(xiàn)計(jì)量法以及引文網(wǎng)絡(luò)分析方法更深入地研究了1990—2015 年間各類燃料電池的發(fā)展阻礙與技術(shù)熱點(diǎn)，指出SOFC 技術(shù)可能已進(jìn)入成熟階段，未來(lái)可通過改進(jìn)系統(tǒng)連接材料來(lái)解決啟動(dòng)慢的缺點(diǎn)；卞志昕［8］考察了SOFC 領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文的合著情況與機(jī)構(gòu)合作趨勢(shì)，提出產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界在SOFC 領(lǐng)域合作十分普遍，且論文的影響力在快速增長(zhǎng)；鄢春根等［9］通過技術(shù)路線圖考察了SOFC 技術(shù)的演變情況，指出SOFC 領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展主要集中在材料、結(jié)構(gòu)以及工藝層面，并通過分析專利數(shù)據(jù)得出中國(guó)在該領(lǐng)域的專利管理水平與創(chuàng)新能力有待提高的結(jié)論。

可見，中外研究者已多角度地研究了SOFC 技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，相關(guān)方法及成果具有一定的借鑒意義，但是仍存在以下問題：一是大多研究主要針對(duì)某地區(qū)或特定時(shí)段，未揭示SOFC 技術(shù)發(fā)展歷史的全貌，也對(duì)SOFC 技術(shù)的未來(lái)發(fā)展估計(jì)不足；二是對(duì)合作的研究停留在機(jī)構(gòu)層面，鮮少深入挖掘宏觀層面國(guó)家間合作傾向，社會(huì)網(wǎng)絡(luò)可視化呈現(xiàn)較少；三是對(duì)文獻(xiàn)的分析大多通過人工來(lái)完成的，雖然可以較好地把握主要內(nèi)容，但是在宏觀上缺少數(shù)據(jù)支撐，也很難對(duì)全部文獻(xiàn)文本進(jìn)行合理地聚類。為此，在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量、引文網(wǎng)絡(luò)以及文本挖掘等研究方法，系統(tǒng)深入地探討SOFC 技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展、演化、合作及研發(fā)熱點(diǎn)等問題，為中國(guó)加快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供情報(bào)支撐。

2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

2.1 研究方法

文主要使用文獻(xiàn)計(jì)量法、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法以及自然語(yǔ)言處理技術(shù)。

文獻(xiàn)計(jì)量法是科技情報(bào)領(lǐng)域的重要研究方法之一，通過數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)等方式定量地研究科學(xué)文獻(xiàn)所隱含的知識(shí)［10］。本研究以論文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從宏觀層面對(duì)SOFC 技術(shù)的歷史發(fā)展態(tài)勢(shì)、空間分布以及文獻(xiàn)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，較為系統(tǒng)地把握SOFC 技術(shù)的發(fā)展情況，為合著網(wǎng)絡(luò)分析與文本分析打下基礎(chǔ)。

社會(huì)網(wǎng)絡(luò)是社會(huì)中的行動(dòng)者以及所有行動(dòng)者之間形成的關(guān)系組成的集合，而社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析是對(duì)一個(gè)特定的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量的研究［11］。本研究以第一作者的機(jī)構(gòu)為中心建立與其他機(jī)構(gòu)的合著關(guān)系，從而形成節(jié)點(diǎn)為機(jī)構(gòu)、邊為合著關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)，再按國(guó)家對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，從而形成國(guó)家和機(jī)構(gòu)合著網(wǎng)絡(luò)。使用Kamada 等［12］提出的KK 算法作為布局算法，其中的理想距離與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑成正比［13］，從而通過網(wǎng)絡(luò)可視化后節(jié)點(diǎn)之間的距離反映國(guó)家以及所包含的機(jī)構(gòu)之間合作關(guān)系的緊密程度。

自然語(yǔ)言處理技術(shù)通常指的是使用計(jì)算機(jī)對(duì)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行有意義的分析及操作，主要分為基于規(guī)則與基于統(tǒng)計(jì)兩種研究方法［14］，具體有文本分類、情感分析、信息抽取等方向。本研究使用文本聚類法，通過隱含狄利克雷分布（LDA）主題模型對(duì)SOFC 領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行聚類，從每篇文獻(xiàn)的標(biāo)題與摘要字段中選擇類別關(guān)鍵詞作為一個(gè)研究主題，分析歷史上SOFC 領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)及發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

為保證科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性及代表性，以Web of Science 核心合集SCI 擴(kuò)展版（SCIE）收錄的文獻(xiàn)作為分析數(shù)據(jù)。同時(shí)為完整展現(xiàn)SOFC 技術(shù)的發(fā)展全貌，不限定檢索時(shí)間。通過使用對(duì)主題、標(biāo)題、摘要進(jìn)行內(nèi)容限定，結(jié)合SOFC 領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的特征并去掉綜述或與技術(shù)無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)制定檢索式：(TI=((SOFC*) OR (Solid NEAR/3 Oxide NEAR/3 Fuel NEAR/3 Cell*) OR (Solid NEAR/2 Oxide NEAR/2 Cell*) OR (Solid NEAR/1 Electrolyte NEAR/1 Fuel NEAR/1 Cell*))) OR (AK=((SOFC*) OR (Solid NEAR/3 Oxide NEAR/3 Fuel NEAR/3 Cell*) OR (Solid NEAR/2 Oxide NEAR/2 Cell*))) OR (AB=((SOFC*) OR (Solid NEAR/0 Oxide NEAR/0 Fuel NEAR/0 Cell*))) NOT (TI=((Commercialization) OR (Review) OR (Progress)))。共檢索到自1962 年以來(lái)的19 453 篇文獻(xiàn)，檢索時(shí)間為2021 年4 月19 日。

根據(jù)研究需要對(duì)檢索到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去掉405 條沒有作者地址信息的記錄、33 條無(wú)明確國(guó)家標(biāo)注的記錄、643 條無(wú)DOI 號(hào)的記錄以及37 條沒有發(fā)表年份的記錄，剩余1973—2021 年的18 335條文獻(xiàn)記錄。去除的數(shù)據(jù)占比較小（5.7%）且無(wú)明顯共同特征，因此對(duì)分析結(jié)果影響較小。除圖1 外，本研究中其他分析均以此數(shù)據(jù)集作為分析內(nèi)容。此外，本研究中涉及中國(guó)的相關(guān)敘述，除特別說(shuō)明外，未含臺(tái)灣省的統(tǒng)計(jì)情況。

3 研究結(jié)論

3.1 文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果

3.1.1 固體氧化物燃料電池相關(guān)論文的發(fā)表情況

1962—2020 年間SOFC 領(lǐng)域相關(guān)的SCIE 文獻(xiàn)的時(shí)間分布如圖1 所示，文獻(xiàn)發(fā)表量在60 余年內(nèi)呈“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì)。本研究將SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表大致分為以下4 個(gè)階段：

圖1 固體氧化物燃料電池領(lǐng)域SCIE 論文發(fā)表量年度分布

一是理論萌芽階段（1962—1995 年）。檢索到的第一篇SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)為Weissbart 等［15］于1962年發(fā)表的文章，J Weissbart 和R Ruka 兩人以氧化鋯為電解質(zhì)、鉑作為電極，以甲烷作為燃料制作并測(cè)試了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的SOFC。此后，年文獻(xiàn)發(fā)表量從1 篇逐漸增長(zhǎng)至1995 年的65 篇，此時(shí)學(xué)術(shù)界漸漸出現(xiàn)了與如今SOFC 結(jié)構(gòu)與工作原理相接近的技術(shù)概念。SOFC 技術(shù)的初步發(fā)展可能與1973、1979 及1990 年發(fā)生的3 次世界石油危機(jī)有關(guān)，數(shù)次能源短缺對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成了沉重的打擊，促使發(fā)達(dá)國(guó)家意識(shí)到保證國(guó)家能源安全、維持國(guó)家能源獨(dú)立的重要性，紛紛開始發(fā)展SOFC 等新能源技術(shù)。在材料學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步以及社會(huì)環(huán)境的共同推動(dòng)下，SOFC 技術(shù)得到了初步發(fā)展，并開始形成技術(shù)范式。

二是起步發(fā)展階段（1996—2003 年）。該階段SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)量開始加速增長(zhǎng)，其中2002 年增長(zhǎng)了約19%，達(dá)到241 篇。2003—2004 年，美日兩國(guó)SOFC 文獻(xiàn)發(fā)表量翻了近1 倍，且德英等國(guó)家的文獻(xiàn)量均有較大增長(zhǎng)，因此文獻(xiàn)發(fā)表迎來(lái)了第一次攀升。主要原因可能是節(jié)能環(huán)保思潮的興起，進(jìn)一步推動(dòng)各國(guó)新能源以及氫能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。該階段結(jié)束時(shí)，2003 年的文獻(xiàn)發(fā)表量達(dá)到了262 篇。

三是快速增長(zhǎng)階段（2004—2011 年）。這一階段SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量高速上升，2006 年增長(zhǎng)率達(dá)到67%，2008、2011 年也分別達(dá)到了約30%的增長(zhǎng)水平，至2011 年達(dá)到1 352 篇，為歷史最高點(diǎn)。各國(guó)政策支持和研發(fā)力度的加強(qiáng)可能推動(dòng)了文獻(xiàn)量高速增長(zhǎng)。2007 年和2009 年美國(guó)分別發(fā)布《能源獨(dú)立及安全法》《恢復(fù)與再投資法》，總共撥款2 400億美元促進(jìn)清潔能源以及高效的能源技術(shù)。日本從2001 年開始研發(fā)固體高分子型燃料電池（polymer electrolyte fuel cell，PEFC）；2005—2008 年實(shí)施固定式燃料電池大范圍示范項(xiàng)目，開始為用戶實(shí)際安裝測(cè)試家用燃料電池系統(tǒng)；2011 年SOFC 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)開始上市銷售。德國(guó)2007 年提出氫能與燃料電池科學(xué)創(chuàng)新計(jì)劃，在計(jì)劃實(shí)施的第一階段實(shí)現(xiàn)了燃料電池的供應(yīng)和制造全球排名第三的成績(jī)（位于美、日之后）。中韓等國(guó)也開始扶持氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2006 年中國(guó)發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，將氫能及燃料電池技術(shù)納入了先進(jìn)能源技術(shù)內(nèi)容；2008 年韓國(guó)提出的《低碳綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》的九大重點(diǎn)領(lǐng)域中加入了氫燃料電池的部分，同時(shí)推進(jìn)熱電聯(lián)供等六大技術(shù)［16］。

四是穩(wěn)定發(fā)展階段（2012—2020 年）。該階段SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量維持在較高水平，年平均發(fā)表量為1 183 篇，SOFC 技術(shù)在全世界有較高的關(guān)注度，但由于成本、性能等條件的限制，SOFC 技術(shù)卻未在全世界范圍內(nèi)大規(guī)模使用，僅有個(gè)別國(guó)家通過政策扶持方式對(duì)進(jìn)行了小規(guī)模的部署。近年來(lái)，美日德等國(guó)對(duì)SOFC 技術(shù)研發(fā)熱情有所消退，但由于中韓等國(guó)的相關(guān)文獻(xiàn)量仍在快速增長(zhǎng)，因此全球文獻(xiàn)量仍穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平。

3.1.2 固體氧化物燃料電池文獻(xiàn)的地區(qū)分布情況

表1 顯示了SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量最多的20 個(gè)國(guó)家及地區(qū)的地理分布情況。SOFC 技術(shù)主要研發(fā)地區(qū)主要集中在東亞、北美與歐洲。東亞一共發(fā)表7 311 篇論文，約占世界總文獻(xiàn)發(fā)表量的37.6%；北美僅有兩個(gè)國(guó)家上榜，但是發(fā)文量較高，其中美國(guó)發(fā)表了2 603 篇，加拿大發(fā)表了514 篇，均處于世界領(lǐng)先地位；歐洲國(guó)家數(shù)量最多，平均每個(gè)國(guó)家發(fā)表493 篇，是全球SOFC 技術(shù)進(jìn)步的主要推動(dòng)地區(qū)之一。

表1 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域發(fā)文量前20 位國(guó)家（地區(qū)）分布

表1（續(xù)）

由此可見，文獻(xiàn)發(fā)表集中地區(qū)均是經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的區(qū)域，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開工業(yè)的推動(dòng)與能源的支撐，因此經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好的地區(qū)更加注重未來(lái)的能源安全與能源利用效率?？萍歼M(jìn)步推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，而經(jīng)濟(jì)為科技提供了物質(zhì)基礎(chǔ)與環(huán)境，因此，中國(guó)若要實(shí)現(xiàn)更加高水平的發(fā)展，就要利用好SOFC 等新技術(shù)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)升級(jí)與能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

3.1.3 固體氧化物燃料電池文獻(xiàn)的國(guó)家和年度分布情況

SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量排名前十國(guó)家的SCIE 論文發(fā)表年度分布情況如圖2 所示。各國(guó)文獻(xiàn)發(fā)表在時(shí)間上的分布具有以下特點(diǎn)：

圖2 固體氧化物燃料電池領(lǐng)域發(fā)文量前十的國(guó)家發(fā)文量趨勢(shì)

美日英等國(guó)文獻(xiàn)發(fā)表量經(jīng)歷高峰后逐步回落。其中，日本自1976 年發(fā)表第一篇相關(guān)文獻(xiàn)后發(fā)表量連續(xù)上升，于2011年達(dá)到峰值110篇，之后逐漸下降，近3 年平均發(fā)文46 篇。有研究表明，日本企業(yè)在涵蓋SOFC 技術(shù)的氫燃料電池領(lǐng)域擁有較強(qiáng)實(shí)力，但近年來(lái)日本的SOFC 產(chǎn)業(yè)化過程不順利，企業(yè)研發(fā)積極性受挫［17］，因此，產(chǎn)業(yè)界投入的減少可能是日本文獻(xiàn)發(fā)表量下降的主要原因。美國(guó)于2000 年后開始逐漸重視SOFC 技術(shù)的研發(fā)工作，相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量增長(zhǎng)迅速，于2011 年達(dá)到242 篇。英國(guó)的相關(guān)文獻(xiàn)量也于2011 年達(dá)到峰值47 篇，近年來(lái)保持在30 篇左右?？梢?，對(duì)于2011 年左右全球SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表的快速增長(zhǎng)，原因之一在于美日英等發(fā)達(dá)國(guó)家加大了研發(fā)力度。

（2）由于新興國(guó)家文獻(xiàn)發(fā)表量的快速增長(zhǎng)，SOFC 研發(fā)于2014 年迎來(lái)第二次高峰。中國(guó)于1997年發(fā)表了第一篇相關(guān)論文，之后文獻(xiàn)量增長(zhǎng)迅速，于2007 年超過美國(guó)，已連續(xù)9 年位居全球第一。韓國(guó)2010 年文獻(xiàn)發(fā)表量增長(zhǎng)近50%，之后穩(wěn)定保持在百篇規(guī)模，2020 年排名世界第2 位。印度近年來(lái)文獻(xiàn)發(fā)表量穩(wěn)步增長(zhǎng)，2020 年達(dá)到歷史最高的58 篇，位列世界第五。近5 年來(lái)，世界SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量保持在較高水平，其中隱含了SOFC 研發(fā)重心由發(fā)達(dá)國(guó)家向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移、由歐美地區(qū)向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

僅分析SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)在空間維度上的數(shù)量分布，尚不足以真實(shí)體現(xiàn)各個(gè)國(guó)家在該研究領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)弱，由于排名前10 位的國(guó)家文獻(xiàn)總量約占全球文獻(xiàn)量的70%，故選取這10 個(gè)國(guó)家作為樣本，引入文獻(xiàn)的總被引頻次、平均被引頻次、2016—2020年文獻(xiàn)數(shù)量占比等指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果如表2 所示，可見：（1）文獻(xiàn)總量方面，中國(guó)以4 022 篇位居世界第一，美國(guó)以2 603 篇位居世界第二，兩國(guó)文獻(xiàn)數(shù)量大幅領(lǐng)先其他國(guó)家；日韓文獻(xiàn)總量均在千余篇左右，日本領(lǐng)先韓國(guó)約400 篇，差距較大。（2）文獻(xiàn)被引方面，美國(guó)文獻(xiàn)被引總數(shù)為108 077 次，位居世界第一，平均被引量達(dá)42 次，僅次于英國(guó)，表明美國(guó)文獻(xiàn)在該領(lǐng)域具有較大的學(xué)術(shù)影響力；英國(guó)平均被引次數(shù)高達(dá)42 次，位居世界第一，但其發(fā)文體量較小。日德意加等傳統(tǒng)技術(shù)強(qiáng)國(guó)被引水平較高，篇均被引次數(shù)在30 次左右；中韓印等新興國(guó)家被引水平較低，部分原因是新發(fā)表論文占比高，論文被引用量相應(yīng)較少。（3）中韓意印四國(guó)近5 年文獻(xiàn)占比最高。這些國(guó)家在SOFC 領(lǐng)域起步較晚，近年來(lái)大力發(fā)展燃料電池技術(shù)，理論研究上快速追趕先進(jìn)國(guó)家，但是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平方面與美日仍有較大差距。除加拿大之外，其余起步較早的先進(jìn)國(guó)家近5 年文獻(xiàn)量均保持在20%左右增長(zhǎng)率?？梢姲l(fā)達(dá)國(guó)家雖然在技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面接近成熟，但是仍注重固體氧化物燃料電池的研發(fā)創(chuàng)新。

表2 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域主要國(guó)家有關(guān)文獻(xiàn)指標(biāo)比較

3.1.4 固體氧化物燃料電池文獻(xiàn)發(fā)表機(jī)構(gòu)的分布情況

SOFC 領(lǐng)域發(fā)文量全球前十的機(jī)構(gòu)如圖3 所示。中國(guó)有4 所科研院校發(fā)文量居世界前列，其中中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（386 篇）、中國(guó)科學(xué)院（321 篇）以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)（287 篇）名列前三，華中科技大學(xué)以209 篇位居第七。國(guó)外SOFC 技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的德國(guó)于利希研究中心（273 篇）以及日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（218 篇）等研究機(jī)構(gòu)上榜，它們依托國(guó)家政策支持及能源戰(zhàn)略積極開展相關(guān)研究，科研成果豐富，且與中國(guó)科研院所交流較多。另外文獻(xiàn)發(fā)表量較高的科研院校還有丹麥科技大學(xué)、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院、南洋理工大學(xué)以及九州大學(xué)，分別發(fā)表了270 篇、204 篇、178 篇及173 篇相關(guān)論文，在世界上處于領(lǐng)先地位。綜上，SOFC 領(lǐng)域文獻(xiàn)呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后穩(wěn)定的趨勢(shì)，并繼續(xù)保持在一個(gè)較高的水平，表明該領(lǐng)域相關(guān)的研發(fā)活動(dòng)仍較為活躍，從高速發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展階段。

圖3 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域發(fā)文量前十機(jī)構(gòu)情況

3.2 合著網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果

在構(gòu)建論文發(fā)表機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)前，需要對(duì)重點(diǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解。表3 呈現(xiàn)了參與SOFC 技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)最多的前10 個(gè)國(guó)家發(fā)文情況，可見：（1）機(jī)構(gòu)數(shù)量上，中美兩國(guó)全球領(lǐng)先，分別有144 所和114 所機(jī)構(gòu)參與SOFC 技術(shù)研發(fā)；其余國(guó)家均在100所以下，其中日本62 所，位居世界第三，韓德兩國(guó)分別在50 所左右。（2）平均發(fā)文上，可以分為兩個(gè)梯隊(duì)：第一梯隊(duì)為中美日韓意英六國(guó)，每家機(jī)構(gòu)的發(fā)文量均在20 篇以上，其中中國(guó)以28 篇位居第一；第二梯隊(duì)為德法印伊四國(guó)，平均每家機(jī)構(gòu)發(fā)文量在10～20 篇。（3）合作程度上，中國(guó)與伊朗的國(guó)際合作程度最低，兩國(guó)跨國(guó)合著論文占比均不到10%；美國(guó)不僅研發(fā)規(guī)模龐大，國(guó)際合作也相當(dāng)頻繁，合著論文占比達(dá)到了22.2%；法英德三國(guó)合作發(fā)文占比最高，約占總發(fā)文量的1/3，主要原因是近年來(lái)歐盟通過如“地平線歐洲”“電池2030+”等項(xiàng)目整合科研資源，促進(jìn)了歐洲國(guó)家在新能源技術(shù)研發(fā)方面的合作。

表3 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域主要國(guó)家研究機(jī)構(gòu)數(shù)量及發(fā)文情況

為進(jìn)一步了解SOFC 領(lǐng)域科研機(jī)構(gòu)的合作情況，利用WoS 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了科研機(jī)構(gòu)合著關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)代表研究機(jī)構(gòu)、邊代表合著關(guān)系，節(jié)點(diǎn)越大表示該機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)的聯(lián)系越多，節(jié)點(diǎn)與簇之間的距離反映合作關(guān)系的遠(yuǎn)近。由圖4 可以看出，國(guó)家機(jī)構(gòu)間的合作具有明顯的傾向性和地緣性。主要體現(xiàn)在：

圖4 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域研發(fā)機(jī)構(gòu)合著網(wǎng)絡(luò)

第一，處于網(wǎng)絡(luò)中心位置的機(jī)構(gòu)所屬國(guó)家主要有中國(guó)、日本、美國(guó)以及英國(guó)，說(shuō)明在機(jī)構(gòu)合作方面這些國(guó)家的機(jī)構(gòu)在數(shù)量以及廣泛性方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這幾個(gè)國(guó)家之間的交流合作構(gòu)成了合著網(wǎng)絡(luò)的核心，間接影響了其他國(guó)家機(jī)構(gòu)的位置分布。

第二，美、日、韓三國(guó)機(jī)構(gòu)在合著網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)相互滲透的局面，說(shuō)明這3 個(gè)國(guó)家在SOFC 領(lǐng)域中的跨國(guó)合作程度較高；反之，中國(guó)機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)中基本保持為一個(gè)整體，只與美國(guó)、澳大利亞等有相互交錯(cuò)的現(xiàn)象，說(shuō)明中國(guó)在SOFC 領(lǐng)域的研究主要以國(guó)內(nèi)合作為主。

第三，以英國(guó)、丹麥、德國(guó)及意大利等為核心的歐洲聚簇分布在網(wǎng)絡(luò)的右下部分，周圍有西班牙、印度、法國(guó)等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)，雖然該部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較小，但數(shù)量較多，占到了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的近一半，表明歐洲各國(guó)及印度同樣為SOFC 研究的重要參與者。另外，在該部分網(wǎng)絡(luò)中，英、德、法間存在密切合作關(guān)系，證明了三國(guó)文獻(xiàn)的高合著率來(lái)自于三國(guó)之間相互頻繁的合作活動(dòng)。

3.3 SOFC 技術(shù)熱點(diǎn)演變分析

使用LDA 文本聚類算法，通過去除停用詞、詞性還原、去除標(biāo)點(diǎn)等數(shù)據(jù)清洗步驟，初步提取出每篇文獻(xiàn)中具有代表性的動(dòng)名詞；同時(shí)，通過計(jì)算每個(gè)聚類數(shù)量結(jié)果的一致性分?jǐn)?shù)來(lái)決定聚類數(shù)目，共得到24 個(gè)一致性分?jǐn)?shù)較高的LDA 模型聚類，并去除文獻(xiàn)量少于500 篇的聚類，最終剩余11 個(gè)聚類?；诖?，歸納各個(gè)類別文獻(xiàn)的共同點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合各個(gè)類別的代表性關(guān)鍵詞，分析各個(gè)類別的主題含義，如表4 所示。

表4 1973—2020 年固體氧化物燃料電池領(lǐng)域文獻(xiàn)文本聚類結(jié)果

第一，SOFC 領(lǐng)域中基礎(chǔ)研究占比最大，主要表現(xiàn)為材料的性質(zhì)及其作用機(jī)理研究，如第1、3、11類，文獻(xiàn)量總計(jì)約占41%，通過考察不同種類的合金、氧化物以及各種納米材料在氧化還原中的反應(yīng)表現(xiàn)或者催化活性來(lái)評(píng)價(jià)材料的優(yōu)劣。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，材料的選用與改進(jìn)主要有3 種方式：一是通過改變材料或材料復(fù)合成分來(lái)降低SOFC 的工作溫度或提高工作效率，如根據(jù)Mah 等［18］的綜述，由于SOFC 已經(jīng)可以在600～800 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，科學(xué)家們正在嘗試使用金屬合金來(lái)代替陶瓷作為互聯(lián)材料；二是通過改進(jìn)部件的制作工藝來(lái)改變材料參與反應(yīng)的表面形狀，從而提高材料的反應(yīng)活性與催化活性，如Zhang 等［19］提出了一種新方法來(lái)制備雙尺度孔隙率的多孔納米結(jié)構(gòu)混合導(dǎo)電材料，從而加大反應(yīng)面積、提高催化效率；三是通過構(gòu)建模型模擬SOFC運(yùn)行情景，探索或驗(yàn)證新型電池概念，從而擺脫現(xiàn)有研究范式約束，進(jìn)行基于基礎(chǔ)原理的創(chuàng)新，如Leah 等［20］構(gòu)建了算法模型來(lái)驗(yàn)證使用摻釓氧化鈰（CGO）作為電解質(zhì)材料的新型SOFC 在現(xiàn)實(shí)復(fù)合系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，由于該論證方式避免了不必要的實(shí)驗(yàn)，因此可以節(jié)省大量的研發(fā)消耗。

第二，對(duì)SOFC復(fù)合系統(tǒng)的研究也占了較大比重，如第4、5、6 類，該類文獻(xiàn)約占全部文獻(xiàn)的22%。其特點(diǎn)是探索或擴(kuò)展了SOFC 電池系統(tǒng)的未來(lái)可能應(yīng)用場(chǎng)景或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而使SOFC 最大限度地發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如有學(xué)者提出，可以將SOFC 與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)建一種新型推進(jìn)系統(tǒng)，并通過熱力學(xué)與質(zhì)量模型論證了該技術(shù)組合理論上的高性能［21］；由于SOFC 燃料范圍較為廣泛，因此有學(xué)者考察了以污水處理廠產(chǎn)生的沼氣為燃料，通過SOFC 實(shí)現(xiàn)電能與熱能的自給，最終發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)60%左右的熱電聯(lián)產(chǎn)效率［22］。

第三，從對(duì)材料本身的研究引申至SOFC 技術(shù)應(yīng)用，如第2、7、8 類，此類文獻(xiàn)約占全部文獻(xiàn)的26%。SOFC 技術(shù)的研究本質(zhì)上還是材料的研究，因此相當(dāng)比例的文獻(xiàn)以特定材料綜合性質(zhì)作為主要研究?jī)?nèi)容，如Lu 等［23］研究了Mn 含量對(duì)尖晶石導(dǎo)電性的影響，論證了Fe-Cr-Mn 在SOFC 中的應(yīng)用可以使金屬互聯(lián)材料克服其不穩(wěn)定缺陷的作用。

第四，一些領(lǐng)域內(nèi)的具體問題也具有較高的研究熱度，如第9、10 類，該類文獻(xiàn)約占全部文獻(xiàn)的7%。電解質(zhì)薄膜是SOFC 的關(guān)鍵組成部分之一，好的電解質(zhì)薄膜不僅可以提高電池運(yùn)行效率，還可以有效降低工作溫度，是影響SOFC 技術(shù)走向社會(huì)的關(guān)鍵技術(shù)之一；由于陰極極化現(xiàn)象嚴(yán)重，而陽(yáng)極不僅具有高熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率，還具有較高的機(jī)械性能，因此陽(yáng)極支撐型具有較高的研究熱度［24］；而NiO與YSZ 粉末是現(xiàn)階段應(yīng)用較多的陽(yáng)極材料之一，因此出現(xiàn)頻率很高。這些技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)系到SOFC 技術(shù)的實(shí)際制造與使用，未來(lái)SOFC 技術(shù)的發(fā)展很可能將由這些應(yīng)用潛力很大的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)推動(dòng)。

4 結(jié)論與建議

第一，SOFC 技術(shù)仍在高速發(fā)展，研發(fā)重心向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。近年來(lái)SOFC 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量已經(jīng)趨于平穩(wěn)，美日等國(guó)研發(fā)態(tài)勢(shì)減弱，中韓印等國(guó)文獻(xiàn)發(fā)表量快速增長(zhǎng)，造成了主導(dǎo)國(guó)家新舊交替的局面。結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，SOFC 在市場(chǎng)推廣階段不順利可能是導(dǎo)致先發(fā)國(guó)家研發(fā)勢(shì)頭放緩的主要原因。因此，中國(guó)應(yīng)把握歷史發(fā)展契機(jī)，充分挖掘SOFC技術(shù)的應(yīng)用潛力，制定適合中國(guó)應(yīng)用場(chǎng)景的SOFC技術(shù)路線，搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

第二，SOFC 領(lǐng)域主要研發(fā)國(guó)家合作程度較高，且國(guó)家間的合作具有明顯的傾向性和地緣性。美國(guó)、日本、德國(guó)研發(fā)規(guī)模大、文獻(xiàn)質(zhì)量高，具有較高的合作水平。中美日之間有較緊密的合作關(guān)系，英國(guó)及歐盟成員國(guó)（德法意等）合作發(fā)文占比高，具有較強(qiáng)的整體性。中國(guó)雖然與波蘭以及美日澳等國(guó)交流較為緊密，但是從合著論文占比上來(lái)看，國(guó)際合作程度不高。因此，建議中國(guó)提高SOFC 領(lǐng)域的國(guó)際科技合作深度與廣度，積極推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，支持技術(shù)成果“走出去”，提升中國(guó)SOFC技術(shù)影響力。

第三，SOFC 技術(shù)的研發(fā)以材料科學(xué)為核心。材料的研究及選用貫穿了整個(gè)SOFC 研究體系，無(wú)論是改變結(jié)構(gòu)還是設(shè)計(jì)復(fù)合系統(tǒng)，本質(zhì)上是為材料作用最大化服務(wù)，可以預(yù)測(cè)，未來(lái)SOFC 技術(shù)的顛覆性創(chuàng)新極大可能是材料科學(xué)的突破性創(chuàng)新；但是，材料研究離實(shí)際應(yīng)用有較大的差距，而設(shè)備結(jié)構(gòu)、制作工藝以及研發(fā)工具升級(jí)等研究可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮較大的實(shí)用價(jià)值。因此，建議中國(guó)結(jié)合“雙碳”任務(wù)目標(biāo)，加強(qiáng)SOFC 創(chuàng)新鏈部署：一要大力部署材料科學(xué)基礎(chǔ)研發(fā)工作，培養(yǎng)材料科學(xué)、電化學(xué)方面的技術(shù)人才，為未來(lái)SOFC 技術(shù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；二要積極開發(fā)新型SOFC 系統(tǒng)和高效制作工藝，提高效率、降低成本，快速推動(dòng)SOFC 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

綜上，SOFC 技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，預(yù)計(jì)很快將到達(dá)實(shí)用化的臨界點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。本研究中沒有對(duì)SOFC 技術(shù)在時(shí)間層面的演變細(xì)節(jié)進(jìn)行更多地分析，因此未來(lái)可找出SOFC 技術(shù)未來(lái)可能的熱點(diǎn)主題，使用技術(shù)路線圖、生命周期圖等方法繼續(xù)深入分析SOFC技術(shù)的發(fā)展方向。