基于專(zhuān)利的中日美質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)發(fā)展對(duì)比研究*

吳云龍，趙蘊(yùn)華

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基于專(zhuān)利的中日美質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)發(fā)展對(duì)比研究*

吳云龍，趙蘊(yùn)華

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

本文以Innography為專(zhuān)利數(shù)據(jù)來(lái)源，從專(zhuān)利申請(qǐng)地域分布、年度分布、申請(qǐng)人分布、核心專(zhuān)利分布等方面對(duì)中、日、美三國(guó)在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，全球?qū)＠暾?qǐng)量總體呈下降趨勢(shì)，但來(lái)源于中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量仍保持平緩增長(zhǎng)；日、美兩國(guó)引領(lǐng)該領(lǐng)域的全球?qū)＠夹g(shù)市場(chǎng)；美國(guó)掌握該領(lǐng)域近半數(shù)的核心專(zhuān)利，而日本在專(zhuān)利數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)。

專(zhuān)利；Innography；質(zhì)子交換膜燃料電池；中國(guó)；日本；美國(guó)

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），是以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑的低污染、高效能的發(fā)電裝置[1]。PEMFC的電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)高分子膜，具有傳導(dǎo)質(zhì)子及絕緣電子、分隔燃料與氧化劑的雙重作用，還具有能量密度高、冷啟動(dòng)快、無(wú)污染、無(wú)噪音、無(wú)電解質(zhì)泄露等特點(diǎn)[2-3]。

PEMFC的發(fā)展歷史可以追溯至20世紀(jì)60年代初，它是通用公司應(yīng)NASA需要研發(fā)而成的，并且被應(yīng)用于衛(wèi)星[4]。在隨后的二三十年，PEMFC的研發(fā)工作經(jīng)歷了一些波折[5-6]，但隨著關(guān)鍵問(wèn)題的不斷突破，使得其在性能、壽命及成本等方面取得長(zhǎng)足的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于交通、便攜式電源以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域，PEMFC的商業(yè)化也正逐步推進(jìn)[7-10]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于ProQuest Dialog公司的Innography平臺(tái)，其主要功能是對(duì)專(zhuān)利進(jìn)行檢索以及分析。其收錄全球90多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的超過(guò)8 000萬(wàn)件專(zhuān)利數(shù)據(jù)（包括專(zhuān)利原文、同族專(zhuān)利和法律狀態(tài)）[11]。采用的檢索方式是主題詞結(jié)合IPC分類(lèi)號(hào)：(@(abstract,claims,title) (PEM or "proton exchange membrane" or "polymer electrolyte membrane" or "membrane electrode" or MEA or (proton and "ion exchange membrane")) and (("fuel cell" or "fuel battery" or "fuel batteries") or PEMFC) NOT(@(abstra-ct,claims,title)("direct alcohol" or "direct methanol" or "direct ethanol" or "direct organic" or DAFC or DMFC or DEFC)) and ((@meta IPC_H01M) or (@meta IPC_C))，檢索時(shí)間為1960—2016年，檢索日期為2016年5月6日。檢索到PEMFC技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利32 599件，經(jīng)過(guò)同族專(zhuān)利擴(kuò)展，共獲得相關(guān)專(zhuān)利44 382件。通過(guò)對(duì)專(zhuān)利文獻(xiàn)類(lèi)型識(shí)別代碼（kind_code_a or kind_code_a1 or kind_code_a2 or kind_code_y or kind_code_u）進(jìn)行限制，最終得到該領(lǐng)域發(fā)明和實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)量29 991件。

本文將從專(zhuān)利申請(qǐng)年度、地域、專(zhuān)利權(quán)人、核心專(zhuān)利分布等方面對(duì)中、日、美三國(guó)在PEMFC領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比分析。

2 專(zhuān)利申請(qǐng)年度及地域分布對(duì)比分析

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)年度分布對(duì)比分析

專(zhuān)利的技術(shù)來(lái)源國(guó)指專(zhuān)利申請(qǐng)人所在的國(guó)家或地區(qū)。本文利用Innography數(shù)據(jù)庫(kù)中的發(fā)明人所在地（Inventor Location）字段，近似表示專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國(guó)。如圖1所示，從全球PEMFC申請(qǐng)量看，1997年以前，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，申請(qǐng)量不超過(guò)200件/年；隨后10年，專(zhuān)利申請(qǐng)量從1997年的250件，爆發(fā)式地增長(zhǎng)到2006年的2 979件，2007年以后專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量開(kāi)始回落，目前正處于技術(shù)衰退期。從技術(shù)來(lái)源國(guó)的角度看，日本在1964年、美國(guó)在1970年先后開(kāi)始出現(xiàn)零星的專(zhuān)利申請(qǐng)（圖中未顯示）。日本的PEMFC專(zhuān)利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)與全球趨勢(shì)基本吻合，2007年達(dá)到峰值（1 555件），隨后出現(xiàn)較大幅度回落；美國(guó)在2001年以前PEMFC專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)較緩慢，但申請(qǐng)量從2001年的245件“跨越式”地增長(zhǎng)到2002年的686件，在2003年達(dá)到峰值（690件）后，開(kāi)始平緩地回落；中國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，增長(zhǎng)緩慢，到2013年申請(qǐng)量才達(dá)到177件，但按照目前的趨勢(shì)，未來(lái)將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

2.2 專(zhuān)利申請(qǐng)地域分布對(duì)比分析

專(zhuān)利的技術(shù)市場(chǎng)國(guó)指專(zhuān)利申請(qǐng)所在的國(guó)家、地區(qū)或組織。如圖2和圖3所示，無(wú)論從專(zhuān)利申請(qǐng)的技術(shù)市場(chǎng)國(guó)還是技術(shù)來(lái)源國(guó)看，在PEMFC領(lǐng)域，日本和美國(guó)都處于絕對(duì)的領(lǐng)先對(duì)位，遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家。在中國(guó)申請(qǐng)的相關(guān)專(zhuān)利有3 993件，排名第3，說(shuō)明中國(guó)是重要的PEMFC專(zhuān)利市場(chǎng)，各相關(guān)技術(shù)研發(fā)單位都積極在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利申請(qǐng)與布局。在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）和歐洲專(zhuān)利局（EPO）申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)量（WIPO 3 076件，EPO 2 370件）分列第4和第5位。

結(jié)合圖4可見(jiàn)，日本作為PEMFC最大的技術(shù)來(lái)源國(guó)，在其國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)量共6 906件，占在日本專(zhuān)利申請(qǐng)總量（8 531件）的81.0%。但是，日本在本國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量?jī)H占來(lái)源于日本的專(zhuān)利總量（13 455件）的51.3%，即日本在該領(lǐng)域有一半的專(zhuān)利是在國(guó)外申請(qǐng)的。日本在布局國(guó)內(nèi)PEMFC市場(chǎng)的同時(shí)，也在積極搶占國(guó)外專(zhuān)利市場(chǎng)。

來(lái)源于美國(guó)的5 866件相關(guān)專(zhuān)利中，僅31.3%的專(zhuān)利在美國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，有68.7%的專(zhuān)利是在其他國(guó)家申請(qǐng)，可見(jiàn)美國(guó)對(duì)搶占國(guó)外市場(chǎng)的重視程度。

來(lái)源于中國(guó)的1 860件相關(guān)專(zhuān)利中，有1 661件在中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，僅占在中國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利總量（3 993件）的41.6%。在中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的全部PEMFC專(zhuān)利中，來(lái)源于日本和美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)分別為1 080件和629件，合計(jì)占比達(dá)42.9%?？梢?jiàn)，來(lái)源于日、美兩國(guó)的專(zhuān)利占據(jù)中國(guó)PEMFC專(zhuān)利市場(chǎng)的近半壁江山。

申請(qǐng)和維持PCT專(zhuān)利一般需要花費(fèi)高昂的費(fèi)用，因此，PCT專(zhuān)利一般是高價(jià)值專(zhuān)利。從圖4可見(jiàn)，在PEMFC領(lǐng)域，來(lái)源于日本、美國(guó)和中國(guó)的PCT專(zhuān)利數(shù)量分別為1 239件、848件和45件，分別占全球PCT專(zhuān)利申請(qǐng)總量的40.3%、27.6%、1.5%；來(lái)源于日、美、中的PCT專(zhuān)利申請(qǐng)量分別占來(lái)源于日、美、中專(zhuān)利申請(qǐng)總量的9.2%、14.5%和2.4%；中國(guó)與美、日兩國(guó)都有較大差距。表明美國(guó)和日本PEMFC相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利技術(shù)含金量很高，而且希望通過(guò)國(guó)際專(zhuān)利的申請(qǐng)，保護(hù)其在全球范圍內(nèi)的市場(chǎng)和利益。

3 專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

如表1所示，在PEMFC領(lǐng)域全球排名前10的專(zhuān)利申請(qǐng)人中，有6家是日本公司，3家是美國(guó)公司；排名前20的申請(qǐng)人中，有8家是日本公司，3家是美國(guó)公司，并且排名前3的均為日本公司?？梢?jiàn)日、美兩國(guó)，尤其是日本在PEMFC領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力雄厚。來(lái)源于中國(guó)的PEMFC專(zhuān)利申請(qǐng)總量雖然位列世界第5位，但沒(méi)有一家機(jī)構(gòu)進(jìn)入世界前20強(qiáng)，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量最多的新源動(dòng)力股份有限公司（147件）在全球申請(qǐng)人中僅排名第32位，表明中國(guó)在該領(lǐng)域尚未形成世界頂級(jí)的研發(fā)機(jī)構(gòu)。

如表2所示，日、美兩國(guó)排名前10的專(zhuān)利申請(qǐng)人均為企業(yè)。表明目前在日本和美國(guó)，PEMFC領(lǐng)域的研發(fā)活動(dòng)主要在企業(yè)中進(jìn)行，已處于生產(chǎn)利用研究為主的階段，因此，其研究應(yīng)該以技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用為主，產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)比較激烈。而中國(guó)排名前10位的機(jī)構(gòu)中僅有3家企業(yè)，其余7家均為高?；蛘呖蒲性核?。表明中國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)活動(dòng)還主要是以科學(xué)研究為主，市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率低。

4 核心專(zhuān)利對(duì)比分析

Innography采用一種其獨(dú)有的綜合指標(biāo)——專(zhuān)利強(qiáng)度來(lái)綜合反映專(zhuān)利的價(jià)值。專(zhuān)利強(qiáng)度參考了包括權(quán)利要求項(xiàng)數(shù)量、專(zhuān)利被引頻次、引用其他文獻(xiàn)數(shù)量、專(zhuān)利家族數(shù)量、專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)程、專(zhuān)利年齡、專(zhuān)利訴訟等10余種指標(biāo)[12]。依據(jù)專(zhuān)利強(qiáng)度的不同，Innography將專(zhuān)利劃分為3種不同類(lèi)型：核心專(zhuān)利，專(zhuān)利強(qiáng)度在80%—100%；重要專(zhuān)利，專(zhuān)利強(qiáng)度在30%—80%；一般專(zhuān)利，專(zhuān)利強(qiáng)度在0—30%[13]。因?yàn)榻?jīng)過(guò)同族擴(kuò)展后的專(zhuān)利在進(jìn)行核心專(zhuān)利計(jì)量分析時(shí)會(huì)涉及技術(shù)重復(fù)計(jì)算，即涉及某項(xiàng)核心技術(shù)的核心專(zhuān)利會(huì)因?yàn)橥鍖?zhuān)利的存在而被重復(fù)計(jì)算，因此，需要進(jìn)行同族去重。對(duì)檢索到的44 382件專(zhuān)利進(jìn)行同族去重，共得專(zhuān)利14 799件。

從核心專(zhuān)利的技術(shù)來(lái)源國(guó)角度分析，從表3可見(jiàn)，專(zhuān)利強(qiáng)度超過(guò)80%的核心專(zhuān)利，在全球范圍共729件，其中美國(guó)掌握近半數(shù)（363件）PEMFC領(lǐng)域核心專(zhuān)利；日本雖然在該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)總量居世界首位，但其僅掌握該領(lǐng)域核心專(zhuān)利總量的25.7%，居美國(guó)之后；中國(guó)在該領(lǐng)域僅擁有7件核心專(zhuān)利，與日、美兩國(guó)的差距極為懸殊。

從核心專(zhuān)利所在的技術(shù)市場(chǎng)國(guó)角度分析，從表4可見(jiàn)，美國(guó)（583件）是PEMFC核心專(zhuān)利的主要技術(shù)市場(chǎng)國(guó)，遠(yuǎn)高于其他國(guó)家或組織，在日本和中國(guó)申請(qǐng)的核心專(zhuān)利數(shù)量分別為40件和22件。說(shuō)明在美國(guó)進(jìn)行PEMFC核心專(zhuān)利布局受到其他國(guó)家或地區(qū)的專(zhuān)利申請(qǐng)人更多的關(guān)注，因此，可見(jiàn)美國(guó)PEMFC領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈。

通過(guò)對(duì)專(zhuān)利文本的聚類(lèi)分析，能夠了解相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)729件核心專(zhuān)利進(jìn)行文本聚類(lèi)（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)PEMFC核心專(zhuān)利技術(shù)的最主要的6個(gè)核心研究主題：燃料電池組（Fuel Cell Stack）、導(dǎo)電性（Electrical Conductivity）、氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer）、流道（Flow Channel）、隔板（Separator Plate）、流場(chǎng)（Flow Field）。這六個(gè)方面同時(shí)也是專(zhuān)利申請(qǐng)人實(shí)施侵權(quán)規(guī)避和專(zhuān)利布局的重要領(lǐng)域。

如表5所示，在PEMFC領(lǐng)域，美國(guó)核心專(zhuān)利的核心研究主題與全球核心專(zhuān)利的核心研究主題基本一致。其中，在燃料電池組、流場(chǎng)、隔板三個(gè)核心主題擁有最多核心專(zhuān)利的是通用汽車(chē)公司；在聚合物電解質(zhì)研究主題擁有最多核心專(zhuān)利的是3M公司；在流道、氣體擴(kuò)散層研究主題中擁有最多核心專(zhuān)利的是普拉格能源公司。相較之下，日本的核心專(zhuān)利更加集中在氣流、助燃?xì)?、電池組、氣體擴(kuò)散層、陽(yáng)極、反應(yīng)氣體等方面；松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社在其中的5個(gè)研究主題都擁有最多的核心專(zhuān)利；本田技研工業(yè)株式會(huì)社在反應(yīng)氣體研究主題擁有最多的核心專(zhuān)利。中國(guó)的7件核心專(zhuān)利集中在催化劑漿、貴金屬、聚偏二氟乙烯、碳納米管薄膜這四個(gè)方面，分別被清華大學(xué)、鴻海精密工業(yè)股份有限公司和比亞迪股份有限公司等機(jī)構(gòu)掌握。

5 結(jié)論

（1）全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量下降，中國(guó)平緩增長(zhǎng)。全球PEFMC專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量在經(jīng)歷過(guò)1997—2006年爆發(fā)式地增長(zhǎng)后，已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)衰退期，來(lái)源于日、美兩國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量均呈下降趨勢(shì)，中國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)平緩。

（2）日美引領(lǐng)全球市場(chǎng)。無(wú)論從專(zhuān)利申請(qǐng)的技術(shù)市場(chǎng)國(guó)還是技術(shù)來(lái)源國(guó)看，在PEMFC領(lǐng)域，日本和美國(guó)都處于絕對(duì)的領(lǐng)先對(duì)位，遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家。同時(shí)，日、美兩國(guó)都注重?fù)屨紘?guó)外市場(chǎng)。來(lái)源于日本的專(zhuān)利有一半是在其他國(guó)家申請(qǐng)的，而來(lái)源于美國(guó)的專(zhuān)利中，更是有近七成在其他國(guó)家申請(qǐng)，相比之下，來(lái)源于中國(guó)專(zhuān)利中，僅有一成是在國(guó)外申請(qǐng)的。在PCT專(zhuān)利申請(qǐng)方面，中國(guó)同美國(guó)、日本相比也都有較大差距，并且來(lái)源于日、美兩國(guó)的專(zhuān)利占據(jù)中國(guó)PEMFC專(zhuān)利市場(chǎng)近半。

美國(guó)和日本的專(zhuān)利申請(qǐng)人主要是企業(yè)，而中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)人主要是科研院所和高校。并且，從申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量看，中國(guó)在該領(lǐng)域尚無(wú)世界頂尖的研發(fā)機(jī)構(gòu)。

（3）美國(guó)掌握近半數(shù)核心專(zhuān)利，日本專(zhuān)利數(shù)量占優(yōu)勢(shì)。全球范圍的核心專(zhuān)利的核心研究主題主要集中在燃料電池組、電池導(dǎo)電性、氣體擴(kuò)散層、流道、隔板、流場(chǎng)等方面。美國(guó)掌握著PEMFC領(lǐng)域近半數(shù)的核心專(zhuān)利，并且美國(guó)是最大的核心專(zhuān)利市場(chǎng)國(guó)。雖然日本擁有的核心專(zhuān)利數(shù)量不及美國(guó)，但日本圍繞核心專(zhuān)利申請(qǐng)了大量的外圍專(zhuān)利，龐大的專(zhuān)利數(shù)量是其優(yōu)勢(shì)所在?？梢灶A(yù)見(jiàn)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)抑或是國(guó)外市場(chǎng)，中國(guó)都將可能面對(duì)日本和美國(guó)的技術(shù)壁壘。

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A Comparative Study of the Technical Development on Proton Exchange Membrane Fuel Cell in China, Japan and the USA

WU YunLong, ZHAO YunHua

(Institute of Scientific and Technical Information of China, Beijing 100038, China)

In this paper, the technical development status of Proton Exchange Membrane Fuel Cell in China, Japan and America is compared by regional distribution, priority year, patent applicants and the core patents based on the patents sourced from Innography. The results shows that globle patents application generally tend to decline while the patents application from China maintains steady growth in this field; the USA and Japan lead the global patents market;the USA holds half of the core patents while Japan has an advantage on the quantity of patents.

Patents; Innography; Proton Exchange Membrane Fuel Cell; China; Japan; the USA

G255.53

10.3772/j.issn.1673-2286.2016.8.003

（2016-06-13）

吳云龍，男，1988年生，碩士研究生，研究方向：前沿領(lǐng)域分析與專(zhuān)利分析，E-mail: wuyl@istic.ac.cn。

趙蘊(yùn)華，女，1967年生，研究館員，研究方向：重點(diǎn)科技政策、科技領(lǐng)域分析。

* 本研究得到國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“專(zhuān)利信息支撐科研項(xiàng)目管理應(yīng)用示范”（編號(hào)：2013BAH21B05）資助。