综述：基于生物质量的氢能与燃料电池技术：当前发展趋势与未来方向的文献计量学综述

《International Journal of Human-Computer Studies》：Biomass-based hydrogen and fuel cell technologies: A bibliometric review of current trends and future directions

　　穆罕默德·哈里斯·阿兹兰|努鲁尔·沙兹拉·马特·亚蒂姆|西蒂·哈萨娜·奥斯曼|萨希德·加尼尤|哈利德·拉谢德·阿尔胡沙尼 马来西亚国立大学燃料电池研究所，马来西亚雪兰莪州邦吉市UKM 43600

摘要
随着世界向低碳能源系统转型，作为深度脱碳重要推动力的燃料电池和氢能技术越来越受到关注。在此背景下，生物质因其能够减少对化石燃料制氢的依赖，同时符合循环生物经济理念，而成为具有战略意义的可再生原料。尽管相关研究日益增多，但关于生物质基氢能与燃料电池技术的研究仍分散在不同的生产路径、应用领域和地理区域，难以形成对全球研究进展的完整认知。为填补这一空白，本研究对2012年至2024年间发表的关于生物质基氢能与燃料电池的国际研究进行了全面的文献计量分析。通过Scopus和Web of Science检索到172篇经过同行评审的论文，进而运用ScientoPy、VOSviewer和Bibliometrix工具进行系统分析。该分析研究了论文发表趋势、引文结构、合作网络以及主题演变，以此勾勒出该领域的知识图谱。与以往分别聚焦氢能或燃料电池的文献计量综述不同，本研究将生物质原料、氢气生产途径及燃料电池应用整合到一个统一的知识框架中。分析结果显示，2015年后研究产出速度显著加快，中国、美国以及部分亚太国家和欧洲国家成为主要贡献者。关键词共现与共引分析表明，研究主题正从传统的生物质转化技术向集成生物精炼厂、微生物燃料电池和绿色氢能系统方向转变。不过，在技术经济评估、生命周期可持续性评价、基础设施准备情况以及政策协调等方面仍存在研究缺口，这些因素继续制约着技术的规模化商业化应用。与通常侧重于论文发表趋势的传统文献计量研究不同，本研究独特地将文献计量分析与关键的技术性能评估相结合，包括技术成熟度等级、氢气生产效率以及技术经济考量因素。这种混合方法有助于更深入地理解研究趋势与实际应用挑战之间的关系，为连接科学计量分析与基于工程的决策框架提供了新视角。尤其值得一提的是，研究结果为可持续发展目标中的第7项（可负担且清洁的能源）、第9项（工业、创新与基础设施）以及第13项（气候行动）提供了支持，同时也为希望加速从实验室规模的创新走向实际能源应用的研究人员、行业利益相关者以及政策制定者指明了方向。此外，本研究还提供了一个基于技术性能和应用准备程度的决策支持框架，有助于各利益相关方根据研究的成熟度和应用的可行性来确定技术优先级。

引言
全球社会向低碳能源系统的转型，推动了各类替代能源的发展，这些能源有望帮助大规模实现各行业的脱碳。氢能便是其中之一，它具有高能量密度、用途广泛的特点，而且能够实现能源生产与化石燃料的脱钩。在那些直接电气化存在技术难度或成本过高的领域，如重型运输、工业加工以及分布式发电等领域，以氢能为基础的能源系统正逐步成为未来能源体系的重要组成部分[1]。在更广泛的氢能框架下，生物质基氢能作为一种补充途径，逐渐受到重视，它是一种可再生且碳平衡的制氢方式。生物质具有作为通用可再生原料的独特优势，因为它来源于农业废弃物、林业副产品以及各类有机废物。通过热化学或生物化学反应将其转化为氢气，不仅能够实现废物的价值转化并产生能源，还能契合循环经济理念。此外，将生物质生产的氢气与燃料电池技术结合使用，能够进一步提升系统的可持续性，因为这种组合方式可以高效地发电，且直接排放量极低，主要副产品仅为水[2]。

燃料电池对于将储存在氢气中的化学能转化为电能至关重要，这些电能可用于离网及分布式发电、交通运输以及固定式发电领域。燃料电池技术的不断进步拓展了基于氢能的能源系统的应用潜力，其中包括固体氧化物燃料电池、微生物燃料电池以及质子交换膜燃料电池。这些技术与生物质基氢能相结合，为减缓气候变化、提升能源安全以及实现可持续的工业发展提供了可能。因此，与生物质衍生的氢能及燃料电池相关的研究也日益融入全球气候治理以及联合国可持续发展目标的范畴，尤其是那些与清洁能源供应、强大基础设施以及气候行动相关的目标[3]。图1展示了如何将农场废弃物和有机残留物等生物质转化为氢气，并在燃料电池中利用其产生清洁电能。这些电能可为车辆、工厂以及本地能源系统提供动力，且仅产生水作为副产品。这一理念有助于实现可负担的清洁能源、具备抗风险能力的工业体系以及气候行动，为建设更加绿色、低碳的未来铺平道路。

尽管生物质基氢能和燃料电池系统在技术层面极具前景，但其实际应用仍受到科学、经济以及基础设施等方面的限制。从技术层面来看，生物质气化、热解以及生物制氢过程的转化效率存在较大差异，这使得这些过程难以实现大规模应用，且成本效益也不高。此外，复杂的工艺流程、原料的多样性以及系统集成问题进一步增加了大规模应用的难度。与此同时，燃料电池技术仍面临耐用性、催化剂成本以及系统长期运行稳定性等方面的挑战，尤其是在实际运行条件下。Abawalo等人[4]指出，生物质气化及类似的热化学过程的转化效率不稳定，这限制了其规模化应用和工业适用性。而Al-Mohannadi等人[5]则指出，燃料电池系统在成本方面也存在诸多问题，尤其是与成熟的化石燃料发电方式相比。在氢气储存和分配方面的基础设施不足，进一步阻碍了这些技术的广泛应用。此外，生命周期评估结果显示，不同类型的原料和转化技术会导致碳足迹存在差异，这引发了环境方面的担忧。这些挑战要求对全球研究进展进行系统性评估，以便找到解决方案和机遇[6]。在过去三十年里，受气候政策、技术突破以及产业需求的推动，关于生物质基氢能和燃料电池的研究取得了显著进展。目前的趋势包括将生物质气化与碳捕集技术相结合、构建氢能与太阳能或风能相结合的混合系统，以及质子交换膜燃料电池技术的不断发展[7]。然而，现有的综述往往仅聚焦于技术层面，忽视了全球合作网络、有影响力的学者以及研究热点等更宏观的维度。这一不足凸显出开展全面文献计量分析的必要性，这类分析需要结合定量化的出版数据与定性分析结果。近期的研究则探讨了更多种类的混合系统设计，例如混合型可再生能源-氢能系统、生物质转化与碳捕集相结合的技术，以及质子交换膜燃料电池的改进方案。

氢气储存[8][9][10]、运输以及分配系统[11][12][13]的短缺，也阻碍了生物质基氢能系统的广泛应用[14][15][16]。不过，可再生能源技术的快速发展以及氢气生产和储存成本的降低正在改变这一状况，为这些技术的广泛应用创造了新的机会。在更广泛的绿色氢能发展计划中，随着全球范围内减少温室气体排放需求的不断增加，生物质基氢能尤其成为一种可行且具备规模化应用潜力的方案[17]。通过解决生产难题并投资建设完善的氢气基础设施，生物质衍生的氢能结合燃料电池技术，将为环境可持续性以及经济增长做出重要贡献。从文献计量的角度来看，2012年至2024年这一时期为了解全球研究趋势、合作网络以及主题发展方向提供了重要依据，这些信息进一步凸显了氢能在推动向低碳、可持续能源未来转型过程中的重要作用。对这些问题的协同考量表明，有必要采用系统性的评估策略，不再局限于单一的技术优化思路，而是要关注更广泛的研发趋势[18]。本文献计量综述梳理了2012年至2024年全球关于生物质基氢能和燃料电池的研究情况，分析了论文发表趋势、合作网络以及主题集群。通过揭示知识结构并找出研究不足之处，它为研究人员、行业利益相关者以及政策制定者提供了战略层面的参考。该分析依托Scopus和Web of Science的数据集，通过合著网络分析、关键词映射、引文分析以及主题聚类等方法，对该领域的研究状况进行了全面梳理。研究结果进一步强调了生物质氢能在推动可持续能源转型中的作用，为未来的研究重点指明了方向，同时也为全球脱碳进程中的国际合作、产业创新以及能源政策制定提供了支持。

虽然文献计量分析能够从量化角度展现研究趋势，但它不足以让人充分理解生物质基氢能和燃料电池系统在实际应用中的具体意义和技术深度。因此，本研究超越了传统文献计量分析的局限，通过整合对关键技术路径的系统性批判性评估，比如催化剂的发展、燃料电池的性能、通过热化学和生物化学过程生产氢气的方法，以及技术经济因素的考量，从而提供更为全面的理解。与以往的研究不同，本研究将文献计量分析结果与基于工程的分析相结合，旨在更全面地了解技术的成熟度、系统效率以及实际应用中的挑战，而不仅仅关注论文发表数量等指标。尽管关于氢能和燃料电池研究的文献计量分析越来越多，但现有大多數研究仅限于对论文发表趋势、引文网络以及关键词演变情况的描述性分析，往往只单独关注氢气生产或燃料电池系统某一方面的内容。相反，本研究通过整合三个关键维度，提供了一种全新的视角：（i）从生物质中生产氢气的各种途径；（ii）燃料电池系统的应用；（iii）技术成熟度与经济可行性的评估。

此外，本研究还突破了传统文献计量分析的框架，将科学计量分析结果与工程性能指标相结合，包括效率范围、技术成熟度等级以及成本影响因素等。这不仅有助于更全面地了解研究的进展情况，还能明确哪些技术最适于大规模应用。通过将文献计量分析、关键技术分析以及系统级评估相结合，本研究为弥合学术研究趋势与实际氢能应用之间的差距提供了独特的框架。

本研究通过对2012年至2024年间从Web of Science和Scopus中收集的172篇相关论文进行系统分析，对生物质基氢能和燃料电池研究进行了文献计量分析。该报告运用先进的文献计量方法，明确了全球研究趋势、重要的研究贡献者，以及生物质氢能和燃料电池研究的影响力变化情况。其中，对引用次数最多的100篇论文（T100）的分析是该综述的关键部分，这些论文代表了具有重大影响力的研究成果，它们不仅影响了现有的研究格局，也为未来的研究方向指明了方向。通过分析引文模式、合作网络以及关键词趋势，该综述揭示了生物质氢能和燃料电池研究中的重要动态，以及最为活跃和重要的研究主题。为了呈现合作模式和主题结构，该分析采用了来自Web of Science和Scopus的最新数据集，以及VOSviewer等常用的文献计量分析工具。根据关键词共现和引文关联关系，相关文献被归为四个主要主题集群，这些集群概括了生物质衍生氢能及燃料电池技术领域的核心研究方向。

1. 从生物质中生产氢气——研究热化学、生物化学以及混合转化方法。
2. 燃料电池作为可再生能源系统——评估其在实现能源网格脱碳以及提升能源存储能力方面的作用。
3. 氢气储存技术——研究基于材料以及基础设施的储存解决方案。
4. 生物氢能路径——评估木质纤维素生物质、微生物燃料电池以及气化技术作为可持续制氢途径的可行性。

本研究的目标是通过识别重要的研究贡献者、研究机构以及论文发表轨迹，来绘制全球研究趋势图；确定与可持续发展和能源转型目标相契合的研究缺口以及新兴研究方向；通过分析技术、环境以及政策相关研究之间的联系，凸显生物质基氢能和燃料电池研究的跨学科特性。近期的文献计量学和技术研究都强调了生物质衍生氢能在推动脱碳以及全球能源转型过程中的战略重要性。例如，Jaradat等人[19]指出了生物氢能生产技术的多样化以及国际上相关研究的不断增加。与此同时，Noussan等人[20]研究了“绿色”氢能与“蓝色”氢能之间日益明显的差异，这些差异反映了氢能相关讨论中的地缘政治和技术层面因素。这些研究大多表明，有必要开展一项综合性研究，除了关注技术创新外，还要考虑国际合作、市场机制以及政策在生物质制氢产业链中的作用。通过分析关键词共现和引文模式所形成的主题集群，这项文献计量学研究为政策制定者、行业相关方以及学术界提供了有价值的见解，有助于明确未来的研究方向。尽管相关文献数量正在不断增加，但仍然存在一些重要的知识空白，因为以往的文献计量学研究往往聚焦于较短的时间段或特定的子主题，如燃料电池或生产技术，未能全面呈现该领域更为复杂的跨学科及纵向发展态势。很少有研究深入探讨多个数据库、协作网络或高被引文献中的主题集群发展情况。本综述通过整合Web of Science和Scopus的数据，梳理了2012年至2024年间基于生物质的氢能与燃料电池研发方面的研究进展、知识结构以及未来发展方向。以此助力实现低碳可持续的未来目标，同时凸显生物质氢能在全球能源转型中的关键作用。与传统的文献计量学分析不同，本研究超越了传统方法，构建了一个将科学计量学分析与工程评估相结合的综合性分析框架。通过引入氢气产率、系统效率、技术成熟度等级以及成本指标等技术性能指标，为生物质制氢及燃料电池系统的实际应用可行性提供了可操作的参考意见。不同于以往仅做描述性分析的研究，本研究建立了研究趋势与实际应用潜力之间的直接关联，有助于相关方不仅发现新兴研究主题，还能找到具有技术可行性的实际应用路径。这种综合视角提升了文献计量学作为决策支持工具在推动可持续氢能系统发展中的作用（见表1）。

数据集选择
本研究所需的文献计量数据集来自两个大型科学文献数据库：Web of Science（WoS）核心合集和Scopus。选择这两个数据库是因为它们拥有大量经过同行评审的期刊、严格的索引规则以及结构完善的书目元数据，这些都是进行准确文献计量分析所必需的。WoS和Scopus涵盖了广泛的学科领域，因此单个数据库出现偏差的可能性较低。

总体研究趋势
基于生物质的氢能与燃料电池相关研究，随着该领域整体发展而发生了显著变化。虽然2012年之前已有相关研究，但本分析主要聚焦2012年至2024年这一时期，旨在把握近期由技术和政策推动的发展动态。由于缺乏综合性的分析框架以及政策支持不足，生物质氢能一直只是可再生能源讨论中的一个小众话题。大多数研究都停留在实验室层面。

未来建议与发展方向
推进可持续能源系统发展的一个重要研究重点，就是高效利用生物质来生产氢气。利用生物质制氢具有巨大潜力，未来的研究需重点改进生产技术、优化生物能源的应用方式，并制定有利于其工业化的政策。热化学法和生物化学法，尤其是气化技术和厌氧消化技术，被视为提升氢气生产效率的有效途径。

未来展望与结论
在过去三十年里，基于生物质的氢能与燃料电池研究已从最初的实验室小规模研究，发展成为全球范围内公认的、对清洁能源转型至关重要的领域[99][100][101]。文献计量分析结果显示，相关出版物数量快速增长，而且研究方向也在明显转变，即从传统的转化技术[102]，转向微生物燃料电池、暗发酵以及绿色氢能路径等集成系统。这一变化反映出相关领域发展的紧迫性日益增加。

作者贡献说明
Muhammad Haris Azlan：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。Nurul Syazrah Mat Yatim：可视化处理。Siti Hasanah Osman：监督指导。Saheed Ganiyu：方法设计。Khalid Rashed Alhooshani：结果验证。

利益冲突声明
作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益/个人关系：Siti Hasanah Osman表示获得了马来西亚国民大学的资助。此外，她与马来西亚国民大学存在包括资金资助在内的合作关系。其他作者则声明自己没有可能影响研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢马来西亚国民大学通过GGPM-2024-046研究项目提供的资金支持。同时，也感谢马来西亚国民大学的研究与仪器管理中心（CRIM）所提供的优质研究设施和技术支持。