氢气由于燃烧过程中不产生CO₂，因此被称为未来的“能量载体”。由于氢气的经济、社会和环境效益，氢气被当作未来的理想燃料。

　　生物制氢是把自然界储存于有机化合物（如植物中的碳水化合物、蛋白质等）中的能量通过高效产氢细菌的作用，转化为氢气，是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。生物制氢的途径包括光解水产氢、光发酵产氢、暗发酵产氢和两步发酵工艺。

　　与传统的物理化学方法相比，生物制氢有节能、可再生和不消耗矿物资源等许多突出的优点，是未来规模化产氢的重要途径。本部分通过科技文献和专利文献的角度，分析“生物制氢”主题的国际态势。

　　文献分析

　　为检索出与“生物制氢”相关的研究与综述论文，根据用户提供的检索词，构建检索策略，在ISI Web of Science数据库中，共检索到114927篇论文（检索时间为2018年8月27日），对检索出的数据采用TDA、Excel、VOSviewer等工具进行分析，结果如下。

　　1.研究产出分析

　　（1）年代分布

　　从检出结果看，1904年Liebermann, L首次报道了“胶体铂水溶液在氢过氧化物催化过程中的酶作用”。从图1中可以看出，纵观整个研究历程，前期发文量少，时断时续，研究进展缓慢。进入1991年，全球发文量突破千篇，达到了1266篇，这是由于外界多种因素的汇合增加了氢能经济的吸引力。这些因素包括持久的城市空气污染、对较低或零废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO₂排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等。

　　在2006年左右，发文增长的趋势逐年提高，这是由于世界各国政府对氢能的科研投入逐渐加大。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。近年来世界各国如冰岛、中国、德国、日本和美国等不同的国家之间在氢能交通工具的商业化的方面已经出现了激烈的竞争。

　　（2）国家（地区）分布

　　全球共有25个国家开展了生物制氢的研究，其前十位的国家排名见下图（图2）。发文量前十位的国家分别是美国、中国、日本、德国、印度、法国、英国、韩国、意大利和加拿大，上述十个国家在生物制氢主题中的发文量占总量的87.31%。

　　从国家角度看，美国和中国在该主题的研究中占有较大的优势，且势均力敌。美国发文量占全球论文的22.36%，中国发文量占全球发文量的21.28%。位于第三、四位的日本和德国，分别占全球发文量的9.05%和7.94%。

　　（1）       机构分布

　　表1列出了关于生物制氢的全球发表TOP15的机构，其中，中国、美国、法国、德国、印度分别有2家机构，俄罗斯、西班牙、意大利、韩国、日本分别有1家机构。中国科学院由于机构庞大、学科体系广泛，其发文量最多，遥遥领先位居首位，发文数量达到了4300篇。法国国家科研中心CNRS作为法国的国立研究机构，以3834篇文章紧随其后。美国能源部位于第三位，发文量为2940篇。位于第四和第五位的加利福尼亚大学和俄罗斯科学院发文量也超过2000篇，分别为2940篇和2382篇。此外，在这15个机构中，以科研单位和大学为主。其中，科研单位有10家，大学有5家，没有企业。通过对TOP100的机构分析，也没有企业入选，这表明生物制氢的研究目前基本处于实验室研究阶段，与实际应用还有一定的距离。

　　（2）       期刊分布

　　该主题发表论文涉及期刊4400多种，发文量最多的前五种期刊分别是：INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY（6701篇）JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY（1840篇）、BIOCHEMISTRY（1771篇）、JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B（1497篇）和JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS（1408篇）。

　　2.国家（地区）被引频次分析

　　对全球发表的关于生物制氢研究论文的被引频次进行分析，以国家进行累积加和，并计算其篇均被引频次（表3）。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小，其中，总被引次数表示国家在该研究领域的影响力，篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。

　　以发文量前10位国家的国家名称、发文量和及其篇均被引频次三个指标作气泡图，气泡大小表示篇均被引频次高低。由图可以直观看出，从被引总频次来看，总被引量超过10万次的国家排位依次是中国、美国、德国、日本、英国、法国和加拿大。中国总被引频次达到120万余次，遥遥领先于其它国家；其篇均被引频次为49.59，同样排在世界第1位。美国总被引量接近98万次，篇均被引为38.09次，均排在第二位。德国以接近29万次的总被引量位于世界第3位，但是篇均被引排名第四位。英国虽然总被引量没有超过20万次（位于第5位），但是篇均被引数值达到34.12次，位于第三位，说明其发文质量较高。

　　3.该领域研究技术主题分析（VOSviewer制图）

　　根据检索出的文献，通过TDA分析工具对关键词进行分析，排除无效概念，得到生物制氢研究所涉及的高频关键词。根据专家意见，将主题关键词分为4类，生物制氢机理研究（红色）、催化相关的技术研究（紫色和蓝色）、工程应用类研究（绿色）和实验装置研究（黄色）。

　　在生物制氢的机理研究方面，主要包括了氢结合、蛋白等。在催化相关技术的研究方面，主要是光催化、X射线衍射、光敏性等。在工程应用类研究方面，主要是原料类、产量等。在实验装置研究方面，主要是材料（合金、钢）、机械效能等技术研究。

　　4.小结

　　本部分对生物制氢的国际基础性研究进行了文献分析，通过分析从整体上把握该领域国际发展态势，为科学决策提供支撑。

　　（1）       生物制氢国际发展态势

　　全球生物制氢的研究时间节点有两个，从首先是90年代初，随着城市空气污染、废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO₂排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等促使发文量瞬增。另外一个时间节点是2006年，世界各国政府对氢能的科研投入逐渐加大。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。

　　从国家角度看，美国和中国在该主题的研究中占有较大的优势，且势均力敌。中国的总被引频次和篇均被引频次均处于世界首位，这说明中国的生物制氢研究水平较高，同时被业界所认可。从研究机构角度上看，中国科学院、法国国家科研中心CNRS和美国能源部的研究实力强劲。

　　（2）       生物制氢主要研究内容

　　从生物制氢研究所涉及的高频关键词可以看出主要研究内容涉及氢结合、蛋白等。在催化相关技术的研究方面，主要是光催化、X射线衍射、光敏性等。在工程应用类研究方面，主要是原料类、产量等。在实验装置研究方面，主要是材料（合金、钢）、机械效能等技术研究。

　　专利分析

　　在ISI Derwent Innovations Index（DII）数据库中，，共检索到5429条专利文献（检索时间2018年8月）。对检索出的数据采用TDA和Excel等工具进行分析，结果如下。

　　1.总体情况分析

　　（1）专利申请国家（地区）和时间分布

　　从全球的生物制氢技术专利申请来看（图5），生物制氢的专利技术最早可追溯到上世纪六十年代。在1980年前，全球生物制氢专利年申请量不超过20条，进入1980年后，全球关于生物制氢的专利申请量呈逐年稳步上升的态势。其中，1999年专利申请量突增，达到100件。申请量最多的前5位国家分别是中国、美国、日本、韩国和加拿大。其中，美国和德国是最早开展生物制氢研究的国家，但德国后续发展较为缓慢，年均专利申请量未超过20条。

　　中国自1992年起有相关专利申请，前期发展缓慢，近十年来中国发展迅速，2015年后中国的专利年申请量超过美国，成为世界第一，并逐渐拉开差距。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同，但是时间跨度上较为滞后。

　　（2）专利技术国家（地区）分布

　　从专利技术的国家（地区）来源来看，中国的专利技术最多，占总数的28.43%；其次是美国，占总数的20.08%；日本排名第三，占总数的19.17%。从专利技术的市场分布来看，专利主要分布于中国、美国、日本、WO、欧洲和澳大利亚。从图6和图7可以看出，中国、美国和日本是生物制氢技术的输出国，其技术来源比例高于市场应用的比例。欧洲除了拥有德国、法国、英国这样的技术强国外，还是一个重要的市场。澳大利亚、韩国、加拿大等国也是基本的技术输出国。

　　（3）       主要申请人分析

　　从检索结果看，约有5000多家机构活跃在生物制氢研发领域。专利申请数量位居前20位的机构有12家为企业（表4），且多为跨国公司，所属国家以美国和日本居多。日本荏原製作所是专利申请量最多的机构，但近5年该机构没有发表专利文献，说明其已经不在生物制氢领域科技布局。此外，值得注意的是，美国英威达公司（INVISTA）和XYLECO公司，虽然专利申请数量排名不显著，但近5年的专利申请十分活跃，具有很大的发展潜力。

　　（4）       中国专利权人情况分析

　　中国研发机构在生物制氢领域申请专利数量进入前20位的包括浙江大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学、河南农业大学和同济大学。这5家机构全部都是高校类，这说明我国的生物制氢研究目前尚处实验室阶段，没有应用于产业中，这与世界其他国家的应用水平尚有一定的距离。

　　（5）       生物制氢技术主题分析

　　基于专利题名和摘要关键词绘制生物制氢研发主题布局专利地图，由图8可以看出，生物制氢领域关注主题明显集中于氢能的储存技术、生物制氢技术（光合生物法/厌氧发酵法）、电解水制氢技术（直接的电解水制氢/光解水制）、吸附氢合金电极技术。

　　2.小结

　　本部分对生物制氢主题进行了专利文献分析。

　　从全球的生物制氢专利技术最早可追溯到上世纪六十年代。在1980年前只是零星专利发布，1980年后逐年稳步上升，到了1999年，专利申请量突增，达到100件。美国和德国是最早开展生物制氢研究的国家，但德国后续发展较为缓慢，美国一直保持强劲的发展势头。

　　中国自1992年起有相关专利申请，前期发展缓慢，近十年来中国发展迅速，2015年后中图8生物制氢领域专利申请布局国的专利年申请量超过美国，成为世界第一，并逐渐拉开差距。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同，但是时间跨度上较为滞后。中国、美国和日本是生物制氢技术的输出国，其技术来源比例高于市场应用的比例。欧洲除了拥有德国、法国、英国这样的技术强国外，还是一个重要的市场。澳大利亚、韩国、加拿大等国也是基本的技术输出国。

　　全球约有5000多家机构活跃在生物制氢研发领域，这些机构大多以企业为主，说明生物制氢的产业应用现状表现突出。相比之下，我国的生物制氢研究目前尚处实验室阶段，应用于产业案例较少，这与世界其他国家的应用水平尚有一定的距离，我国的生物制氢产业化应用有待提高。

　　利用专利题名和摘要关键词分析全球生物制氢研发主题布局，分析结果表明生物制氢领域关注主题明显集中于氢能的储存技术、生物制氢技术（光合生物法/厌氧发酵法）、电解水制氢技术（直接的电解水制氢/光解水制）、吸附氢合金电极技术。

（作者单位：中科院文献情报中心咨询服务部）