燃料电池工业的专利趋势分析

燃料电池是将氢气和氧气作为燃料，利用电气化学的缩减/氧化或“氧化还原”反应使两者结合。反应后有三种副产品：电流——为金贵的太空船提供能量；水——当氢气和氧气结合后，产生的水可供宇航员饮用，也可用于冷却装备；热量——使宇航员免受太空严寒的侵袭。这项革新技术满足了最急需的能源、生计和热量。

氢和氧是地球上最丰富的两种元素。从空气（氧气在空气中占21%）中很容易获得氧气，植物释放出氧气，人类吸入氧气，接下来它不断地循环。氢是水的基本组成元素。地球表面有70%覆盖着海水，用少许电流就可以从海水中分解出氢。尽管蕴涵着这样丰富的资源，燃料电池装置的潜力并没有被重视。原因是制造它们的原料（例如，铂金，化学碱，极纯的氢和氧）是非常昂贵的，限制了它的大范围商业化。然而，科学家和工程技术人员也没有完全放弃对燃料电池进行研究的努力。如果地球上的石油或煤资源耗尽，或变得稀有而不经济，燃料电池是个可选用的能量来源。

最近几十年里，环境问题、经济现状和科学进步已经把燃料电池推到了能源议程的前沿。如果所有的汽车都用燃料电池产生动力，或者每所房子都有自己的燃料电池系统，昂贵而又破坏环境的煤或核燃料还会有位置吗？从环境角度来说，发展燃料电池技术的理由是充分的，商业潜力也是巨大的。挑战来自于创造出低成本的燃料电池技术，使所有的汽车、房子、随身听、笔记本电脑、手机、和MP3播放器都使用燃料电池。也许汽油价格较低时，人们会降低对氢动力的注意力，但事实表明，人们对氢动力的兴趣在不断增加。

一、全球专利趋势

分析燃料电池研究技术发展的一个最有效的方法就是考察同期专利申请的趋势。专利是重要的金融投资和公司将某项发明投向市场的信号，它能表明相关技术从基础研究向产品应用的转移。

用关键词和国际专利分类对1999—2003年这5年来国外的燃料电池专利进行检索。结果检索到大约1万余篇文献。将这些文件按时间归类，并绘制出这5年来的专利文献数量变化图表，显示这段时期内公布的国外燃料电池专利的数量出现了爆炸性的增长（见图1）。这段时间里，发明专利数量增长了4倍以上，基本专利申请增长超过了360%，1999年的申请不到1000件，2003年增长至大约4000件。1999年，氢燃料电池的投入不像今天这样巨大。这表明，公司之间在知识产权领域中进行着激烈的竞争，这些公司希望在其所申请的专利某一天能够转化为“摇钱树”。

从国外燃料电池专利申请数量的增长上来看，参与研究的机构已经由单纯的能量电池研究公司转移到汽车制造厂商和消费电子公司。从技术的角度上，该领域中还存在一些潜在的问题，例如，存储易燃氢。这些问题在燃料电池获得专利和大量上市之前必须解决。

很明显，研究人员目前正在对燃料电池技术进行大量的研究。图2显示1999年该领域中积极地申请专利的国外主要公司。从中可以明显看出，日本公司是主要的专利权所有人，松下和三菱这两个日本工业巨头是其中的领导者。图2还清楚地显示了在1999年专利技术是由一般的对燃料电池感兴趣的公司所申请。

从专利文献中可发现，东芝在申请新技术专利方面很活跃，尤其在甲醇燃料电池（DMFC）领域。东芝已经研制出一种用在移动耳机和音频播放器上的微型电池。同大约工作5小时的传统锂离子电池相比，使用DMFC专利技术的微型电池可连续工作10小时。

与图2类似，图3显示2003年该领域积极申请专利的国外的主要公司。从中可以发现，在专利申请人的类型上有一个有趣的变化。不仅前10名中有半数为汽车制造商，而且排在第11位的通用汽车公司也是生产汽车的企业。

如上所述，燃料电池技术已经越来越多地引起了世界范围内的关注。经济和技术高速发展的中国同样面临着严重的能源危机。同时，中国拥有如此巨大的市场，没有哪一个公司在重点发展某项技术的时候，会忘记中国的市场。选择1999—2003年这个时间段，来看一下中国燃料电池的专利状况。

对目前公布的1999—2003年的中国的燃料电池专利进行检索，得到1000多篇文献。将其根据时间序列绘制成图4。

考虑到专利公开滞后的因素，从图中可以看出，中国的燃料电池的专利与国际上同期专利的趋势相似，在近年也呈现了大幅度攀升的趋势，申请量从1999年的90件，增长到2003年的300多件。

为了进一步考察是哪些公司在积极进行相关的研究，将1999年和2003年燃料电池专利的主要申请人进行统计，并绘制成图5、图6。

从图5中可以看出，1999年燃料电池在中国的专利申请，绝大多数掌握在外国公司手中。并且，这些公司分别属于多个国家，并没有哪一个国家是绝对的领导者。这些分别属于不同产业的公司，在中国这个潜力巨大的市场上关于燃料电池的技术进行了激烈的竞争。然而，这种状况到了2003年，就有了明显的改观。

从图6可以看到， 2003年燃料电池的前10名专利申请人中有六名是中国的，而且其申请量较大，这说明有关专利技术很大程度上掌握在中国的公司和研究机构的手中。由此可以看到中国在近年对相关技术进行了大量的投入，在5年间取得了骄人的成绩。

从图6还可以看到，2003年申请中国专利的国外公司的格局也有很大变化。如果说1999年，该领域的专利申请分散掌握在诸如美国、德国、日本、瑞士等多个国家的话，那么到了2003年，外国公司在中国的申请大多数都集中到了日本公司的手中，同时韩国的公司也开始参与了中国市场的竞争。

二、专利应用的热点领域

很明显，1999—2003年燃料电池技术领域发生了某些变化。为了找到答案，应该更深入地研究燃料电池在哪些技术领域中得到了应用。

1.燃料电池的应用领域

自NASA首次使用碱性燃料电池开始，人们已经开发了多种新型的燃料电池，这些燃料电池各有其优缺点。NASA碱性电池非常昂贵，而且需要非常纯的燃料。这种类型的电池只适用于太空市场，因为航天局的人员倾向于用纯氢和纯氧燃料为火箭发动机提供动力，这种电池不能轻易向消费市场提供，因为燃料污染是个大问题。

人们需要的燃料电池是那种制造起来相对便宜并且对燃料要求是“开放的”，即采用非纯氢或纯氧的燃料，同时，电池尽可能保持较高能量的输出。如果要开发适用的、受欢迎的产品，那么电池重量、电池启动时间和供电时对变化的反应等问题都非常重要。

在过去的20年中，人们开发了许多符合这些条件的电池，虽然它们并不能同时具有上述特性，但现在有一些可供使用的专用燃料电池。例如，为伦敦的公共汽车开发的燃料电池和高性能汽车的燃料电池。为医院、家庭和随身听提供能量的电池，它们都有各自不同适用的容量。

从图7中可看出，汽车行业的专利申请量远远超出其他行业，而移动电话和手提电脑方面的专利申请量从2001年开始出现了一定的增长。有关空间技术的专利申请量只占总量的一小部分，其原因很有可能是设定了保密条例，防止由于专利授予而使有关技术在公共领域泄漏。

目前，有两个领域对供电寿命有迫切需求。人们期望手提计算机中的新式可充电式锂电池在电量耗尽之前，能够持续使用4个小时左右。如果能够用燃料电池为手提计算机供电，那么，在持续使用一个月后当它没电的时候，选择什么来替代它呢？另外，从专利文献中可以注意到，移动电话和手提电脑方面的专利申请是相关联的，因为专利权人在他们的专利中详细列举了相关的应用。这些应用与移动PDA和相关领域的研发投入的增长是分不开的。

日本在移动手机或便携式计算机专利方面的研究活动频繁，该地区的主要移动运营商DoCoMo公司一直致力于推动能为本地新开发的高端手机高效供电的电池。随着3.5G和混合Wi-Fi网络的兴起，新的带宽的利用，对功耗装置提出了新的要求。

在移动竞技舞台上燃料电池的新应用就是为蓝牙耳机供电。诺基亚一直试图从12ml的甲醇瓶中找到能维持通话60小时、待机200小时的电源的解决方案。前文图中的公司，例如，日立公司、索尼公司、东芝公司和松下电器工业有限公司，都很注重便携式消费电器的燃料电池的发展潜力。

从图8看到，燃料电池的中国专利中，应用于汽车的专利申请占据了燃料电池领域专利申请的主要部分；另外有大量的专利文献指明，其所披露的燃料电池技术或燃料电池零部件的生产适用于各种对能源有需求的产业，这一类专利申请的数量其次；微型燃料电池可以作为移动电源用于消费电器，如移动电话、便携式摄像机等，这类的专利申请量也比较大。此外，从专利文献来看，燃料电池作为固定组合电源用于民用发电等领域的专利申请量也在逐步上升。

2．便携消费电器的安全

燃料电池存在有爆炸的潜在危险。这个严重的安全问题，或至少出于安全性的考虑，影响了燃料电池在手提电脑和移动电话上的使用。倘若在手提电脑中使用体积虽小却有爆炸性的内置氢罐，不难想像公众和相关媒体强烈的反应。要保证在飞机上手提电脑和移动电话的安全，安全性的问题更为突出。怎样储存氢气，能使其处于惰性、不易燃状态，又便于应用到燃料电池中呢？人们怎样才能在固定规格的罐中填充足量的氢气，并确保比一般充电电池供能时间更长呢？

虽然消费者并不在意带着易燃液体驾驶，但对于打电话和使用手提电脑，却是另外一回事。很明显，安全性对任何应用都是问题，尤其当燃料的供应离手的位置较近。对安全性能的关注已经成为燃料电池专利发展的趋势。大量资金不再投向燃料电池、电解、电极、容器和冷却系统，而是转向电池的存储装置和燃料供应上。这样的趋势从图9中可以看到。 1999年这方面的专利申请不到100件，而2003年，这方面的申请超过700件。

中国在该领域的专利申请状况可以从图10中看到。作为燃料电池技术中的一个关键技术，在燃料的存储、供应方面的中国专利申请量增长迅速。通过浏览相关文献，可以看出汽车、消费电器、供电等行业的申请人都在关注该技术的发展。

3.纳米技术

20世纪80年代后期，有人发现某种形态的碳将自身包装在一个不透气的原子管内， 形成了一个独立狭长的、不可思议的纤维管。到目前为止，人们并没有实际使用过这些纳米碳管/纳杆/纳碳等。科学家发现，纳米碳管（CNTs）可以储存惰性氢。这些管很微小，这一特性意味着“能量密集”，即纳米碳管每平方厘米中可用氢的数量非常高。目前，这一实例只在小型装置中应用过，还未能使用它解决实际问题，但汽车厂商在燃料电池这一特殊领域的专利申请活动非常活跃。汽车厂商制造燃料电池和汽车产品时依然需要氢罐、泵和燃料供应装置。

三、专利申请的地域性趋势

将每项发明第一次提出专利申请的国家（优先权国家）做成图，可以了解专利的地域性趋势。一些专利权人习惯在他们自己的国家申请专利，但他们有时也会因为想得到更好地保护或者因为这些国家是丰厚利润回报的市场，而向其他国家的专利机构提出申请。2003年燃料电池申请量最多的申请人列表中惟一的美国汽车公司是通用汽车公司。

从图11中可以看出，日本称霸于这一技术领域 ，但美国2003年的优先权申请量份额，比1999年有很大的增长，超越了欧洲专利局和世界知识产权组织这两大国际专利机构，排名从第五位上升到第二位。

不过德国和其他的欧洲国家失去了专利申请的很大份额。在5年间尽管他们实际申请数量翻了3倍，但仍旧无法与日本和美国申请量的增长相比。 图12中可以看到德国在排名榜上从第三位跌到了第五位，欧洲也失去了巨大份额。值得注意的是韩国专利一直保持着一定份额。

四、结论

从20世纪五六十年代狭小的空间技术应用领域，成长为21世纪早期的朝阳工业，无疑燃料电池技术已经成熟。30年前，煤和石油不适合用做空间探索的燃料，因此，NASA需要燃料电池。如今，发展燃料电池技术是为了补充、丰富煤和石油的供应。石油价格的提高和环境意识的增强，迫使公司必须在二者之间做出抉择：或是继续使用传统发动机，或是寻求降低对矿物燃料能源全球依赖性的方法。恶劣的气候变化引发了人们对地球的关注，企业无论是出于社会效益或经济利益的动机，都已经不能再忽视环境问题。

在1999—2003年的5年里，汽车工业已经成为燃料电池技术领域专利申请量最大的产业，其中美国和日本的专利申请增长最多，中国专利申请的增长势头也很可观。但是，欧洲汽车工业却表现平平，其专利申请量在不断下降。

另外，上述分析还显示，企业不仅仅是在空间技术和汽车领域的燃料电池方面进行投资,他们还着眼于电话，电脑，数码相机，居室及任何一个可能使用氢的地方。这是由于氢燃料电池重量轻、能耗又较普通电池和内燃机低，使它能够作为清洁的能源。

专利分析展示，该领域的研发和专利申请一直都很活跃。这说明，科学家和工程技术人员正在为人类向清洁、低污染、低资源依赖的未来迈进而努力工作。氢革命的真正实现指日可待，这不仅有益于机构、团体和消费者，还有益于我们生活的星球。

推荐访问:燃料电池 趋势 专利 工业 分析