质子交换膜燃料电池系统的技术演进：一项主路径分析

《Energy Conversion and Management: X》：Technological evolution of proton exchange membrane fuel cell systems: a main path analysis

　　

氢燃料电池是实现碳中和与支撑全球能源转型的关键技术。随着研究从电化学材料向智能能源系统不断演进，理解氢燃料电池技术的长期技术演进规律日益重要。然而，现有综述研究主要归纳研究主题或发文趋势，对知识演进过程的洞察十分有限。本研究利用从科学引文索引扩展版（SCI-EXPANDED）中检索到的1,209篇期刊论文（1995–2025年，来源于Web of Science核心合集），重构了氢燃料电池研究的技术演进过程。研究人员建立了引文网络，并采用基于搜索路径链接计数（SPLC）的主路径分析（Main Path Analysis）及关键路径分析（Key-route Analysis），以识别主导性知识扩散轨迹和重大技术转型节点。研究结果揭示了技术演进的四个主要阶段：（1）质子交换膜燃料电池（PEMFC）设计与制造；（2）耐久性提升与高温运行；（3）面向燃料电池混合动力电动汽车（FCHEV）的混合燃料电池系统集成；（4）基于人工智能（AI）的能量管理与智能运行控制。基于引文的演进轨迹表明，该领域正经历从部件级电化学工程向集成化、智能化氢能系统的渐进式转型。上述发现为理解历史知识演进提供了循证基础，并为未来研究与技术规划提供了有价值的指导。尽管如此，研究结果仍需结合本研究对Web of Science核心合集的依赖及引文固有的时滞效应加以解读，后者可能导致近期发表的研究被低估。

质子交换膜燃料电池系统的技术演进：主路径分析视角下的研究解读

一、研究背景与问题提出

实现全球碳中和目标要求对现有能源系统进行深刻变革，大规模部署低碳能源技术、推动可再生能源整合以及发展可持续能源载体是关键路径。据国际能源署统计，氢能在最终能源消费中的占比预计将从目前的不足2%提升至2050年的10%以上，凸显了其在深度脱碳中的战略重要性。在当前能源部门约占全球温室气体排放73%的背景下，氢能技术的发展已成为支撑未来低碳能源系统的关键工程优先事项。

氢因具有高重量能量密度、使用点零碳排放以及支持长期储能和跨部门能源整合的能力，已成为最具前景的能源载体之一。在各类氢利用技术中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高效率、快速启动能力及适用于交通和分布式能源应用的特性，被广泛认为是最高效的能量转换技术之一。然而，催化剂成本、耐久性退化、氢基础设施以及系统集成挑战仍然制约着其大规模商业化推广。

从全球部署趋势来看，尽管氢能技术投资显著加速，但受成本、耐久性限制、基础设施约束和运行复杂性等因素影响，商业化进程仍不均衡。研究范围已从PEMFC部件工程逐步扩展至耐久性提升、混合燃料电池系统、燃料电池混合动力电动汽车（FCHEV）以及智能能量管理策略。氢燃料电池研究日益呈现跨学科特征，涵盖电化学、材料科学、车辆工程、混合能源系统、智能控制与人工智能等领域。

现有综述研究主要从不同工程视角对氢燃料电池技术进行了全面总结。早期综述聚焦于PEMFC、膜电极组件、催化剂开发与电化学传输机理；后续研究强调耐久性提升、退化机理、水管理与热管理；近期综述则将范围扩展至FCHEV、混合动力架构、能量管理策略与人工智能赋能运行控制。此外，文献计量学与主题图谱研究通过关键词共现分析等方法识别了研究热点与主题聚类，但这些方法主要描述发文特征与引用绩效，或强调基于关键词共现的主题关系，均未明确重构工程知识累积与演进的序列化引文路径。

主路径分析（MPA）通过追踪有向引文网络中的主导性引文轨迹，为上述问题提供了互补性视角。该方法不同于关键词共现或主题聚类，能够识别知识扩散的累积过程，揭示技术创新如何通过科学研究的代际传承而演进。然而，此前将MPA应用于氢燃料电池技术的研究数量有限，且通常关注更广泛的技术趋势，而非联系PEMFC设计、耐久性提升、FCHEV集成与人工智能赋能能量管理的工程演进脉络。

二、研究方法概述

本研究采用基于引文网络的方法论框架，从预测与转型视角审视氢燃料电池研究的长期技术演进。研究流程包括：数据收集、基于关键词筛选文献的引文网络构建、应用主路径分析识别主导性与新兴技术轨迹三个主要阶段。具体而言，研究人员于2025年5月15日从Web of Science核心合集的科学引文索引扩展版（SCI-EXPANDED）中检索文献，检索策略限定为主题词TS = ("hydrogen fuel cell *")。经过筛选去重、语言与文献类型限制、标题与摘要核查以及引文信息完整性检验后，最终数据集包含1,209篇期刊论文（1995–2025年）。

研究使用Pajek软件构建有向引文网络，其中出版物为节点、引用关系为有向边，形成适用于引文网络分析的有向无环图（DAG）。随后将引文网络导入台湾科技大学技术管理研究所社交网络分析实验室开发的MainPath 4.6软件，实施基于搜索路径链接计数（SPLC）算法的全局主路径分析与关键路径分析。SPLC权重通过计算通过特定引文链接的所有源节点到汇聚节点的搜索路径总数来评估该链接在知识扩散中的重要性。对于关键路径分析，选取SPLC权重最高的10条引文链接作为种子链接，分别向前追溯至源节点、向后延伸至汇聚节点，重构关键知识扩散轨迹。此外，研究还采用逻辑增长模型拟合年度发文数据，并使用期刊层面的h指数与g指数评估学术影响力。

三、主要研究结果

（一）发文增长与发展动态

研究结果显示，氢燃料电池研究产出持续增长，2000年后显着加速，2010年后急剧上升，2025年发文量因数据不完整呈表面下降。逻辑增长模型拟合结果表明，模型决定系数R2 = 0.9962，均方根误差（RMSE）为18.34，估计承载容量（K）为7,719篇，固有增长率（r）为0.157，拐点（t?）约在2035.7年。这表明氢燃料电池研究仍处于持续增长阶段，尚未进入成熟期。

（二）知识扩散与跨学科发展

期刊分布显示，《国际氢能杂志》、《可再生能源与可持续能源评论》和《电源杂志》是塑造氢燃料电池研究知识发展的主要发文阵地。期刊结构反映了研究从基础电化学科学向综合能源系统的逐步转型：专业期刊在PEMFC、催化剂与膜技术、耐久性提升、电堆设计与混合燃料电池架构方面发挥关键作用，而多学科期刊则日益强调系统集成、可再生能源耦合与可持续能源应用。

（三）主路径分析与技术轨迹

通过全局主路径与关键路径分析，研究识别了氢燃料电池知识演进的四个主要技术阶段：

第一阶段为部件设计与制造基础（2003–2006年）。早期主路径研究聚焦于PEMFC的设计与制造，具有里程碑意义的综述涵盖膜材料、电极结构、气体扩散层与双极板构型，为汽车与固定式应用奠定了工程基础。此阶段反映了以性能可行性为核心的技术探索期。

第二阶段为耐久性与高温运行（2006–2013年）。随着研究向实际部署推进，耐久性与运行稳定性成为关键挑战。主路径研究考察了催化剂退化、膜老化、水管理与高温运行问题，凸显了实验室性能与实际工况之间的差距。

第三阶段为系统集成与燃料电池混合动力电动汽车（2017–2021年）。研究重心从部件可靠性转向系统架构、混合策略与能量管理系统，反映了向应用驱动型氢能技术的广泛转型。在混合驱动环境下，燃料电池电堆频繁承受瞬态负载变化、启停循环与波动功率需求，电堆运行稳定性与退化减缓成为FCHEV系统中日益重要的工程考量。

第四阶段为人工智能赋能的能量管理与智能控制（2023年至今）。强化学习与数据驱动控制方法日益被采用，以克服基于规则与常规优化系统的局限，实现实时运行条件下的自适应多目标决策。与此同时，催化剂设计与燃料电池电堆系统方面的进展持续提升系统耐久性、效率与成本性能。

四、工程启示与研究结论

本研究的发现揭示了氢燃料电池技术演进远超电化学性能的增量改进，该领域经历了从部件级优化向智能化、集成化、应用导向能源系统的渐进式工程转型。早期研究奠定了提高功率密度、能量转换效率与制造可行性的工程基础；耐久性挑战将技术优先方向转向生命周期可靠性、维护优化与成本效益运行；FCHEV的兴起使工程研究从部件优化扩展到混合系统协调、智能功率分配与自适应运行控制；人工智能的融入则使系统能够在高动态工况下运行，同时改善燃料经济性、运行鲁棒性与系统可靠性。

研究结论指出，通过分析1995至2025年间发表的1,209篇论文，利用主路径分析识别了过去三十年间塑造氢燃料电池系统发展的主导性技术轨迹与工程转型。引文轨迹揭示了四个连续的知识发展阶段：PEMFC设计与制造、耐久性提升与高温运行、面向FCHEV的混合燃料电池系统集成、以及人工智能赋能能量管理与智能运行控制。这表明该领域的发展并非简单线性的技术成熟过程，而是由技术优先事项变化、应用需求与使能技术进步驱动的一系列工程转型。

上述发现对技术前瞻、产业战略与工程策略具有多方面启示。识别独特的发展阶段为预测未来研究方向提供了循证框架；基于引文的轨迹揭示了知识积累加速与趋稳的区域，有助于研究人员与技术规划者更好地将研发投资与新兴技术前沿对接；对于产业利益相关者，被绘制的轨迹可作为战略性知识路线图，帮助企业识别高影响力研究领域、评估技术成熟度并优先开展跨材料创新、系统集成与软件赋能控制的合作。

五、结语

本研究通过引文网络分析与主路径方法，系统重构了氢燃料电池技术三十年来的知识演进轨迹，揭示了从电化学部件优化到智能化综合能源系统的清晰演进脉络。未来的技术进步将日益依赖系统级集成与数字化，包括氢储存、智能控制、数字孪生、基于人工智能的能量管理、预测性维护与混合能源协调等方向。燃料电池有望成为集成化低碳能源系统的关键组成部分，支撑可再生能源协调、储能与灵活运行，为推动可持续氢能发展与全球脱碳目标提供重要支撑。