哈工大团队：固体氧化物电解池在绿色氢气和合成气生产方面的研究趋势分析
哈工大团队：固体氧化物电解池在绿色氢气和合成气生产方面的研究趋势分析
固体氧化物电解池（SOEC）是一种极具发展前景的电解技术，通过电解水或水与二氧化碳共电解产生氢气或合成气。近年来，随着可再生能源电力渗透率的提高和碳中和目标的推进，SOEC技术因其高效、环保的特点而受到广泛关注。本文对1983年至2023年间发表的1276篇相关文章进行了科学计量分析，揭示了SOEC技术的研究趋势和热点方向。
研究背景及意义
随着可再生能源电力渗透率的提高，可再生能源的间歇性特性要求电网平衡技术和短期/长期储能载体的部署。氢不含碳，是一种很有前途的能源载体，能够与电和热相互转化，是实现碳中和和可持续氢社会的基础。水电解可以利用丰富的可再生电力生产氢气。氢可以作为氢燃料电池驱动的汽车的燃料，也可以作为生产增值化学品或冶金工业的化学过程的原材料，或者简单地储存起来。当可再生电力不能满足需求时，储存的氢气可以供应给燃料电池，用于热电联产。此外，燃料电池还可以作为非旋转发电设施，在基于可再生能源的能源系统和虚拟电厂中发挥重要作用。
固体氧化物电解电池（SOEC）是最新的水电解技术，与传统的碱性电解或质子交换膜电解相比，其电耗大幅降低，反应机理与固体氧化物燃料电池相反。因此，SOEC可以大大降低制氢的平准化成本。Ceres Power还计划利用钢支撑SOEC技术的优势，开发1兆瓦级SOEC系统，旨在实现绿色制氢成本< 2美元/公斤（H2），与0.91-2.73美元/公斤（H2）的灰色制氢成本相竞争。此外，SOEC技术具有可逆操作的能力；制氢和发电可以用一个装置完成，便于以H2为能量载体的储能循环。除了通过水电解生产H2外，SOEC还可以将CO2和H2O共电解，直接生产合成气或CH4等增值化学品，这可能是一种更节省成本的途径。
主要研究内容
SOEC的演示最初是在1983年报道的。然而，在接下来的一段时间里，人们对这一研究领域没有明显的兴趣，直到2007-2009年，人们对这一研究领域的兴趣略有上升，研究产出达到每年8篇。此后，对SOEC的研究兴趣在2010年和2013年显著增加，年发表量分别达到32篇和74篇。在接下来的6年里，文章数量在一个小范围内波动，然后在2019年再次飙升，达到124篇。到目前为止，年度文章的数量仍在不断增加，这意味着SOEC仍处于快速发展阶段。值得一提的是，氢是一种绿色、无碳的能源载体，是建设碳中和社会的基础。
图1 自1986年首次论证至今（2023年），SOEC相关研究的年度出版物数量趋势
图2给出了各期刊的平均发表年份和平均被引次数排名，以及各期刊的共现网络。在图2（a）和图2（b）中，圆圈的区域表示每种期刊上SOEC的发表总数。图2（a）中的颜色变化表示平均发表年份的变化，图2（b）中的颜色变化表示每次发表的平均被引次数的变化。从图2（a）可以看出，《能源转换与管理》和《CO2利用杂志》等期刊近年来开始关注SOEC，其中《国际氢能杂志》（197）和《动力源杂志》（133）这两种期刊传统上在SOEC领域发表的论文最多。紧随其后的是Journal of Electrochemical Society（57）、Journal of Materials Chemistry A（46）和Electrochimica Acta（39）。
图2 国有企业经济领域的来源期刊分析（a）按平均出版年份排序；（b）按平均引用次数排序
图3描述了从文献计量数据中得出的与SOEC相关的各个主题领域的贡献。主要贡献的研究领域是能源和燃料，约占1010份研究文件。工程学紧随其后，总共有842篇研究论文。排名前五的其他学科领域包括化学（898）、电化学（870）和材料科学（549）。这些领域对SOEC的研究产生了重大影响。
图3 SOEC的主题领域
从图4所示的12个聚类中可以识别出三个主要的研究类别。在图4的红色和粉色簇中，除了氢气、电解等与SOECs相关的各类文章中可能出现的一些词语外，储能、电制气、气化、效率、火用分析、共电解、可再生能源等关键词频繁出现。因此，这类文献更多地关注系统层面的宏观性能，涉及使用SOEC从电力到各种产品（H2或CO）的能量转换。
图4 SOEC相关文章中常用关键词共现网络
为了通过建模了解SOEC研究的内容，文章还分析了共现网络和SOEC建模的高被引文章。在8169个术语中，171个术语达到了出现至少10次的阈值，60%最相关的术语被选中。关于建模的文章术语也大致可以分为两类，一类是更宏观的，另一类是更微观的。总的来说，对于SOEC模型的研究，对系统的研究比对微观结构的研究要晚。在具有特定含义的术语中，效率、系统、电极、能量、功率等出现频率较高。“效率”和“系统”这两个术语的出现频率高于其他术语，也可能意味着对SOEC模型的研究更多地关注于宏观的系统级性能。值得一提的是，近年来，SOEC的经济分析似乎变得流行起来，这反映在经济分析和成本这两个术语上。
图5 SOEC建模文章中术语的共现性
研究结论
SOEC技术是一种令人鼓舞的替代技术，它将电能转换为化学能，效率高，不破坏环境。第一步是对SOEC领域发表的所有文章进行科学计量分析，以确定研究趋势。共检索和分析了1983年至2023年间发表的1279篇高质量文章。值得注意的是，该领域每年发表的文章数量持续增长。
科学计量学分析的结果有助于确定和产生各种研究主题，这些主题通常在SOEC的背景下进行探索。在燃料电极的研究中，材料的稳定性是最受关注的问题，而在空气电极的研究中电极、与分层有关的物品所占比例较高。其中，CO2电解和H-SOECs是近年来SOECs研究的热点。
综述提供了SOEC研究和发展的全面概述，为学生、SOEC研究爱好者、资助赞助者和政府决策者了解SOEC及其各个研究领域的趋势、进展和未来提供了宝贵的资源。尽管如此，值得注意的是，这篇综述只提供了SOEC开发不同方面所涉及的研究主题的高级总结和一般介绍，而没有深入研究文章的具体细节。