论文标题：Scientometric analysis of research trends on solid oxide electrolysis cells for green hydrogen and syngas production

期刊：Frontiers in Energy

作者：Shimeng Kang, Zehua Pan, Jinjie Guo, Yexin Zhou, Jingyi Wang, Liangdong Fan, Chunhua Zheng, Suk Won Cha, Zheng Zhong

发表时间：15 Oct 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0945-5

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文章简介

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。利用可再生能源，SOEC可以生产绿色氢气或合成气。因此，近年来，发展环境友好型能源和实现碳中和的紧迫性引起了人们的持续关注。文章对Web of Science (WoS)数据库中检索到的1276篇相关文章进行了综述。描述了1983年至2023年国有企业的发展历史和趋势。生成国家、来源期刊和作者关键词的共现网络。在此基础上，确定了三个主要的集群，并对其研究内容进行了分析。此外，还介绍了燃料电极、空气电极、电解液、共电解、质子导电SOECs以及SOECs的建模等不同主题的科学计量分析和高被引论文的内容。研究结果表明，共电解和质子导电是目前研究的热点方向。

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

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，对于国有企业模型的研究，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，也可能意味着对国有企业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，国有企业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。

原文信息

Scientometric analysis of research trends on solid oxide electrolysis cells for green hydrogen and syngas production

Shimeng Kang¹, Zehua Pan¹, Jinjie Guo¹, Yexin Zhou¹, Jingyi Wang¹, Liangdong Fan², Chunhua Zheng³, Suk Won Cha⁴, Zheng Zhong¹

Author information：

1. School of Science, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China

2. Department of New Energy Science and Technology, College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

3. Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

4. Department of Mechanical Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea

Abstract：

Solid oxide electrolysis cell (SOEC) is a promising water electrolysis technology that produces hydrogen or syngas through water electrolysis or water and carbon dioxide co-electrolysis. Green hydrogen or syngas can be produced by SOEC with renewable energy. Thus, SOEC has attracted continuous attention in recent years for the urgency of developing environmentally friendly energy sources and achieving carbon neutrality. Focusing on 1276 related articles retrieved from the Web of Science (WoS) database, the historical development of SOECs are depicted from 1983 to 2023 in this paper. The co-occurrence networks of the countries, source journals, and author keywords are generated. Moreover, three main clusters showing different content of the SOEC research are identified and analyzed. Furthermore, the scientometric analysis and the content of the high-cited articles of the research of different topics of SOECs: fuel electrode, air electrode, electrolyte, co-electrolysis, proton-conducting SOECs, and the modeling of SOECs are also presented. The results show that co-electrolysis and proton-conducting SOECs are two popular directions in the study of SOECs. This paper provides a straightforward reference for researchers interested in the field of SOEC research, helping them navigate the landscape of this area of study, locate potential partners, secure funding, discover influential scholars, identify leading countries, and access key research publications.

Keywords：

solid oxide electrolysis cell (SOEC), scientometric review, knowledge network, material development, H₂O–CO₂ co-electrolysis, modeling

Cite this article

Shimeng Kang, Zehua Pan, Jinjie Guo, Yexin Zhou, Jingyi Wang, Liangdong Fan, Chunhua Zheng, Suk Won Cha, Zheng Zhong. Scientometric analysis of research trends on solid oxide electrolysis cells for green hydrogen and syngas production. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0945-5

作者简介

潘泽华，哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授，研究方向为力-热-电耦合条件下的材料力学行为、先进陶瓷和功能器件、电催化催化剂开发等。

周晔欣，哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授，研究方向为计算力学（非线性有限元）、多场耦合模拟、固体氧化物燃料电池等。

王静贻， 哈尔滨工业大学（深圳）理学院助理研究员，研究方向为燃料电池热电联供、面向氢能应用的低碳能源系统等。

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