《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen electrolyzer technology mapping and evolutionary trends: A systematic analysis based on global patent data
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氢电解槽技术发展路径及知识流动研究基于全球专利数据，采用动态分析方法，揭示技术从设备性能优化转向可再生能源整合和废液利用的系统升级过程。中国在专利数量占优，知识流动主要来自WIPO和美国，技术演进呈现阶段性特征，并通过S曲线预测创新潜力。
牛浩伟|王佳颖|刘达
华北电力大学经济管理学院，北京，102206，中国
摘要
电解器是氢生产的关键设备。然而，该领域的研究受到静态视角的限制，阻碍了对多样化技术路径的探索。为了理解技术的发展趋势并预测行业演变，对其长期轨迹进行系统分析至关重要。本研究采用动态专利分析方法，利用全球专利数据来研究氢电解器技术的演变路径。结果表明，氢电解器的专利活动已从缓慢积累转变为快速扩张，中国拥有大多数专利，世界知识产权组织（WIPO）和美国在知识转移方面处于领先地位。早期的技术创新主要集中在提升设备性能上，随后转向可再生能源的整合和废液资源的利用，这反映了从内部优化向系统级应用的转变。这些发现为利益相关者提供了优化创新资源配置和识别投资机会的宝贵见解。
引言
日益严重的气候危机和化石燃料供应的不确定性促使全球加速寻找可持续的低碳和零碳能源替代方案。氢气因其高热值和燃烧时零碳排放而成为工业精炼、化学原料、重型运输以及跨季节能源存储领域深度脱碳的重要推动力[1]。其中，通过太阳能、风能、水能或地热能等可再生能源驱动的水电解制氢被认为是最清洁的途径，能够在接近零排放的条件下生产绿色氢气[2]。水电解的关键过程发生在电解器中，电解器主要负责氢气和氧气的生成反应、离子传导以及气体分离。它通过流场设计、热管理和密封结构来调节质量传递、热传递和气体管理[3,4]。因此，电解器的设计与优化是决定水电解系统性能和成本的关键因素[4]。系统地跟踪氢电解器技术和研究趋势对于了解当前形势至关重要，同时也有助于确定发展方向并支持整个技术生命周期内的前瞻性决策。
近年来，研究人员发表了大量关于氢电解器创新的文章，涵盖了多种技术，包括碱性水（ALK）电解、质子交换膜（PEM）电解、阴离子交换膜（AEM）电解和固体氧化物电解池（SOEC）。ALK技术基于碱性电解质和隔膜，技术成熟且成本较低，适用于负载稳定、需要大规模集中制氢的工业场景[5]。PEM基于质子交换膜，具有高电流密度和良好的动态响应能力，但材料成本和制造成本较高，更适合与波动的电源（如风能）结合使用，适用于分布式高纯度氢气应用[6]。AEM结合了膜电解结构与碱性系统的成本优势，适用于对成本敏感的小到中等规模应用场景，这些场景需要一定的动态调整[7]。SOEC基于高温蒸汽电解，通过与高温热源和废热结合，有望提高效率并扩展合成气生产的可能性[8]。总体而言，现有研究从不同技术路径、关键技术和应用适应性的角度不断丰富了人们对电解器技术的理解。然而，大多数研究仍局限于单一路径或组件。尽管这种专注的研究可以深入探讨局部问题，但由于研究对象、评估指标和运行条件边界的差异，相关结论难以进行横向比较和总结，这不利于全面理解氢电解器的并行演变和阶段变化。此外，仅依赖学术论文可能低估了新兴路径和技术跨路径迁移的影响。学术论文虽然能有效展示科学前沿，但许多讨论的技术可能并未在实际项目中得到应用[3,5]。
与学术论文相比，专利通常与实际工程应用更为紧密相关。专利记录了技术细节，并包含专利所有权、法律状态和地理分布信息。专利分析可以提供学术研究中难以直接展示的信息，例如揭示特定技术领域的热点变化、技术在不同参与者之间的流动以及相关技术的长期发展[9]。
现有研究开始关注电解器领域的专利。然而，对技术演变全过程的理解仍不完整，特别是在关键阶段的变化、不同技术路径之间的知识流动以及未来可能的发展方向方面缺乏分析。在此背景下，对专利数据进行更系统的全面路径分析将非常有价值。这样的分析可以展示不同类型电解器技术在不同阶段的演变特征，帮助识别重要转变，并揭示相关知识在不同技术路径间的转移情况。同时，它还可以为后续的研发规划、工业投资和政策制定提供参考[10]。
为弥补现有研究的不足，本研究开发了一个氢电解器技术的专利演变映射框架。该框架基于专利文本和引用数据，详细介绍了相关技术的发展路径，展示了技术在不同阶段的演变过程，并指出了其可能的未来发展方向。这有助于研究、产业和政策决策。与传统依赖专利数量或静态分类比较的专利分析不同，该框架结合了阶段划分、主题识别、跨阶段主题关联、主路径提取和技术生命周期分析，使技术发展能够得到更系统的研究。这些方法还能够追踪技术变化的连续性，识别新兴热点、未来趋势和进一步发展的有前景的方向。首先，使用E-分割变化点检测结合前向贪婪搜索自动分割专利时间序列，从数据中识别阶段边界，从而减少固定时间窗口和主观划分带来的偏差。其次，为了描述技术方向及其在不同阶段的演变，本研究结合k-means聚类和潜在狄利克雷分配（LDA）主题识别，建立了“簇-主题”映射关系。同时引入技术强度和新颖性指数，以便在共同基础上比较各阶段的不同方向的扩展特征和前沿属性。接下来，使用Word2Vec学习专利文本的词向量表示，将每个阶段的主题表示为向量，并通过跨阶段相似性连接相邻阶段的主题，构建主题演变路径。此外，基于遍历计数的主路径分析提取了专利引用网络的主线，识别了关键的知识传播渠道和技术里程碑，并定位了核心专利和技术轨迹。最后，基于阶段划分和知识路径识别，使用逻辑S曲线评估主要技术方向的成熟度和发展潜力。需要强调的是，本研究不仅提供了简单的专利数量统计，还系统地组织和重构了多个相互关联的技术方向，为研发布局、工业投资和政策支持提供了更多操作性参考。
本研究的结构如下：第1节详细介绍了研究的背景和必要性。第2节描述了当前专利研究的现状和方法论。第3节阐述了本研究使用的数据和方法。第4节讨论了基于专利数据识别氢电解器技术创新路径的结果。第5节分析了所得结果，并为利益相关者提出了未来发展方向的建议。最后，第6节总结了研究结果，并指出了未来的研究方向。
章节摘录
基于专利的技术演变路径识别
尽管现有关于专利测量和技术演变路径的研究在趋势识别、主题挖掘和引用网络方面取得了显著成果，但仍存在一些局限性。首先，在技术演变路径的时间划分方面，现有研究通常依赖于基于政策节点和行业里程碑的固定时间窗口或阶段边界；这些边界具有主观性，关键转折点的识别不够
数据和方法论
图1展示了研究框架。分析首先通过对专利数据的描述性统计来考察电解器技术的增长趋势、空间分布和受让者结构。在此基础上，研究开发了一个多维分析框架，整合了时间分割、聚类、主题建模、强度和新颖性指数、主路径分析以及技术生命周期评估。
结果
本节首先使用氢电解器专利的描述性统计来概述该领域的基本增长模式和空间分布。在此基础上，结合LDA进行技术聚类，构建了一个“簇-主题”映射框架，以识别不同阶段的主要技术方向。然后使用Word2Vec将阶段特定主题表示为向量，并根据它们之间的跨阶段相似性连接相邻阶段的主题
技术演变的内部机制
氢电解器技术的研究重点受到多种因素的影响，包括政策支持、工业能力、市场定位、运营需求、能源转型、环境约束和材料路径依赖性。从宏观角度来看，氢电解器技术的扩展与政策支持、工业能力和市场定位密切相关。将样本划分为七个阶段后，可以看出专利增长
结论
基于全球氢电解器专利数据，本研究进行了描述性统计、聚类、LDA主题映射、跨阶段演变分析、强度和新颖性评估、主路径分析以及生命周期预测，系统地描绘了技术系统的长期演变，并预测了不同技术集群的增长潜力。需要强调的是，本研究的新颖性不在于简单的专利数量统计，而在于
CRediT作者贡献声明
牛浩伟：撰写——初稿、软件、方法论。王佳颖：可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据整理。刘达：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家社会科学基金（项目编号23BJL006）的支持。
