沈璐　杜驍勇

一、 引言

1、Altshuller和Darrell Mann專利考察模式

前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S. Altshuller（G.S.阿奇舒勒）及其同事提出了TRIZ理論，其目的是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學原理和法則。其中包含很多適用于技術(shù)創(chuàng)新的工具和方法，如：矛盾解決原理、物質(zhì)場分析等。產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測是TRIZ理論的一項重要研究內(nèi)容?？蒲泄ぷ髡吆蜕a(chǎn)者可以通過對產(chǎn)品技術(shù)成熟度的預測，了解產(chǎn)品技術(shù)的進化過程，為進一步的科研、生產(chǎn)策略和計劃制定提供參考，對技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

本文采用的產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測方法有以下兩種：

（1）應用Altshuller專利考察模式進行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測：通過對大量專利的分析，Altshuller將專利分為五個等級，并發(fā)現(xiàn)了專利等級、專利數(shù)量和獲利能力隨技術(shù)系統(tǒng)生命周期的變化規(guī)律，這些規(guī)律和S曲線（產(chǎn)品進化過程曲線）一起被后來的技術(shù)預測專家用來進行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測。

（2）應用Darrell Mann專利考察模式進行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測：受Altshullar專利考察模式的啟發(fā)，Darrell Mann根據(jù)專利的基本功能，重點考察了兩類特殊的專利：降低成本的專利和彌補缺陷的專利，得出了這兩類專利的數(shù)量隨技術(shù)系統(tǒng)生命周期的變化規(guī)律。據(jù)此進行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測，能夠較快確定技術(shù)是否已經(jīng)過了成熟期。

2、微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，其基本原理是作為燃料的有機物在厭氧陽極室中被產(chǎn)電微生物氧化，產(chǎn)生電子與質(zhì)子，其中電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，通過外電路到達陰極，形成回路產(chǎn)生電流。而質(zhì)子通過隔膜到達陰極，與氧氣及電子反應生成水。微生物燃料電池具有無污染、適用范圍廣泛等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為治理污染、開發(fā)新能源方面的研究新熱點。

目前針對MFC專利領(lǐng)域的研究主要為專利趨勢分析、分類號研究及檢索和專利申請狀況分析，但是針對MFC產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測的研究未見報道。

二、樣本構(gòu)成

1、檢索數(shù)據(jù)庫

使用的檢索系統(tǒng)為CNABS。

2、檢索關(guān)鍵詞及主要分類號

關(guān)鍵詞：微生物、燃料電池、MFC

主要分類號：分類號： C02F、H01M

3、檢索結(jié)果

檢索截止日為2012年11月30日，經(jīng)過去除噪音及去除同樣的發(fā)明創(chuàng)造后，共獲取2000-2011年相關(guān)專利申請182篇，作為主要統(tǒng)計分析樣本；2000年之前未見相關(guān)專利申請；2012年專利申請公開不完全，僅作為背景分析，不納入統(tǒng)計分析樣本。

三、微生物燃料電池專利的分級和分類

專利分級使用Altshuller發(fā)明的專利五級分級標準，通過全面閱讀分析專利信息（權(quán)利要求書、說明書及附圖、摘要）、確立標志性專利、縱向比較等步驟而得出具體的分級；專利分類中關(guān)注Darrell Mann的專利考察模式中重點考察的兩類特殊的專利：降低成本的專利和彌補缺陷的專利，確定每份專利或申請所屬于的類別，最后統(tǒng)計數(shù)量，擬合曲線，與分級過程可同步進行。

1、專利信息分析與整理

在對微生物燃料電池進行分級和分類前，首先通過對專業(yè)背景資料和專利信息的閱讀，對微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展有全面的了解，主要分析專利申請所要解決的技術(shù)問題，以及解決該問題所采取的技術(shù)手段。通過閱讀分析，可以主觀的了解技術(shù)的繼承與發(fā)展脈絡(luò)，為分級作準備。

在專利技術(shù)發(fā)展中，微生物燃料電池的技術(shù)改進主要為系統(tǒng)構(gòu)型的改變、電極材料的改進、交換膜材料的變化及微生物的選用等。

微生物燃料電池在結(jié)構(gòu)上可以分為單室MFC和雙室MFC兩種。典型的雙室MFC由陽極室、質(zhì)子交換膜和陰極室組成。單室MFC省去陰極室直接把質(zhì)子膜固定在陰極上，陰極室暴露在空氣中，空氣中的氧氣直接傳遞給陰極。二者各具有優(yōu)缺點，在專利發(fā)展中發(fā)明人對MFC構(gòu)型進行不斷的調(diào)整，以克服在先技術(shù)的缺陷。例如申請?zhí)枮?0051001185.5（一種以有機廢水為燃料的單池式微生物電池）的專利為首個單池式微生物燃料電池；申請?zhí)枮?0051008661.8（生物反應器——直接微生物燃料電池及其用途）的專利申請為雙室結(jié)構(gòu)的變形，即主要由筒狀的陽極室、陰極室及將兩室中間隔開的質(zhì)子交換膜構(gòu)成；申請?zhí)?0071014496.5（一種管式升流式空氣陰極微生物燃料電池）的專利，具備了微生物燃料電池構(gòu)型的優(yōu)點，并結(jié)合了上升流活性碳陽極和無膜空氣陰極于一體的，可以使兩電極間距離盡可能最小。

從MFC產(chǎn)電機理來看，陽極作為產(chǎn)電微生物附著的載體，不僅影響產(chǎn)電微生物的附著量，同時還影響電子從微生物向陽極的傳遞，因此早期很多研究都集中在陽極材料的選擇和修飾上。陰極作為電子受體，主要是氧化態(tài)的物質(zhì)，近年在專利申請中也較為常見。例如申請?zhí)枮?0071019540.5的專利提供了一種鐵離子循環(huán)電極及其制備方法；申請?zhí)枮?0071019656.9的專利提供了一種含錳離子的微生物燃料電池陽極的制備方法；申請?zhí)枮?0091004092.0的專利公開了一種用于微生物燃料電池的布陰極組件及其制備方法，該布陰極組件包括防水透氣層、布基材料層和導電催化層或者包括防水透氣布和導電催化層；申請?zhí)枮?0101001927.1的專利中使用碳化鎳鉬作為微生物燃料電池陽極；申請?zhí)枮?0101022015.2（一種微型微生物燃料電池）的專利申請中的陽極為金絲微電極陣列，空氣陰極為膜電極：質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴散層。

膜材料在MFC中的應用主要為分離兩極室中的電解液，同時使陽極室中的質(zhì)子通過，其中質(zhì)子交換膜被廣泛使用。但出于成本的考慮，去膜和采用其他膜對質(zhì)子交換膜進行取代成為專利申請的一個發(fā)展趨勢，例如：申請?zhí)枮?0051011421.3（燃料電池用菌紫質(zhì)質(zhì)子交換膜的制備方法）的專利采用微生物作為燃料電池中質(zhì)子交換膜，對環(huán)境不造成污染有效地降低了質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)成本；申請?zhí)枮?0081002795.3（一種微生物燃料電池及應用）的專利采用的膜材料為離子交換膜，具有與傳統(tǒng)使用質(zhì)子交換膜MFC相當甚至略高的輸出功率與產(chǎn)電性能，能很好的替代傳統(tǒng)使用質(zhì)子交換膜MFC，并可降低微生物燃料電池成本。

微生物的選擇影響著代謝通路，從而影響對有機質(zhì)的去除和/或能量輸出功率。在微生物的選用上，根據(jù)不同的發(fā)明目的有產(chǎn)氣腸桿菌（申請?zhí)枮?0081002922.2）、海洋酵母（20091009798.8）、希瓦氏菌（申請?zhí)枮?0091014094.3和20091030567.7）、弗氏檸檬酸桿菌（20091019363.9）、蠟樣芽孢桿菌（20111034751.2）等等。

此外，在應用的領(lǐng)域上，除了傳統(tǒng)的用于發(fā)電和廢水處理的微生物燃料電池之外，該技術(shù)擴展到其它的廣大領(lǐng)域中，例如：申請?zhí)枮?0061003825.2（一種生態(tài)廁所）的專利申請利用微生物燃料電池理論，設(shè)計了糞便-微生物-質(zhì)子膜-電極構(gòu)成的“糞便電池”；申請?zhí)枮?0091009346.8的專利申請公開了一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置在人體的橫結(jié)腸中，利用腸道微生物和內(nèi)容物產(chǎn)電，可為植入式醫(yī)療設(shè)備提供能源；申請?zhí)枮?0101014660.4（微生物燃料電池及安有該電池的發(fā)電裝置）的專利申請公開了一種安有微生物燃料電池的發(fā)電裝置在稻田進行微生物發(fā)電中的應用；申請?zhí)枮?0111008632.6的專利申請中的微生物燃料電池能降解揮發(fā)性有機物，在處理揮發(fā)性有機廢氣的同時實現(xiàn)電能的回收。

2、分級

Altshuller的專利五級分級標準，具體如表1所示：

經(jīng)過對專利信息的閱讀分析后，確立了標志性專利：申請?zhí)枮?0810805（一種用于廢水處理的使用廢水和活性污泥的生物燃料電池）的專利為首個進入中國的微生物燃料電池申請，至少用到微生物、電池、廢水處理三個領(lǐng)域的知識，采用交叉學科解決了產(chǎn)電的同時能夠進行污水處理的的技術(shù)問題，創(chuàng)造了一種新的系統(tǒng)（僅在專利領(lǐng)域考慮）。作為首個標志性的專利，在專利等級分析時，定級較高，為4級；申請?zhí)枮?0051001185.5（一種以有機廢水為燃料的單池式微生物電池）的專利為首個單池式微生物燃料電池，無須外加動力來提高陰極表面的氧氣含量，無須投加電子轉(zhuǎn)移介體，并且陽極池無需氮氣吹脫就能較好地維持厭氧狀態(tài)，使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)變，經(jīng)過綜合考慮，在專利等級分析時，定為3級。

對于其余的專利或申請進行分級，也要經(jīng)過縱向比較，分析其所要解決的技術(shù)問題及采用的技術(shù)手段，根據(jù)分類標準來定級，例如：申請?zhí)枮?0061014499.1（可堆疊式單室微生物燃料電池）的專利公開了一種可堆疊式單室微生物燃料電池，這種構(gòu)型雖然是首次出現(xiàn)，但是為通過數(shù)量的疊加來提高產(chǎn)電能力，量的變化更為明顯，在Altshuller的專利考察模式中通常將這類專利定為一級。當然，如果專利中出現(xiàn)其他的技術(shù)特征，協(xié)同使得該專利較之前的專利申請有質(zhì)的改變，分級可以再考慮；申請?zhí)枮?0091004203.8（一種微生物燃料電池及其制備方法和應用）的專利將微生物燃料電池及電芬頓有效的結(jié)合起來，使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，用到了全行業(yè)的知識，因此定位2級；申請?zhí)枮?0091007803.6（一種用于同步產(chǎn)電脫鹽的污水處理工藝及裝置）的專利利用微生物燃料電池的內(nèi)電流在處理污水、產(chǎn)電的同時脫鹽。使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，用到了全行業(yè)的知識，因此定位2級；申請?zhí)枮?0101022182.0（一種植物——土壤微生物燃料電池系統(tǒng)）的專利申請中，使陽極電極置于植物根部周圍的土壤內(nèi)，陰極電極置于土壤表面。主要以植物光合作用生產(chǎn)并釋放到根部的有機質(zhì)為燃料，避免了產(chǎn)電微生物以污水中有機質(zhì)為燃料時，有機質(zhì)對產(chǎn)電微生物的抑制作用，從而導致產(chǎn)電效率低的問題。系統(tǒng)發(fā)生變化，用到了全行業(yè)的知識，定位2級。

經(jīng)過對分析樣本的全面閱讀與分析后，最終將微生物燃料電池專利信息整理匯總?cè)绫?所示：

四、微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)成熟度預測

1、Altshullar專利考察模式

根據(jù)表2內(nèi)容，繪制專利數(shù)量統(tǒng)計曲線和專利等級統(tǒng)計曲線，并與標準曲線進行對比，如圖1、圖2所示。

統(tǒng)計曲線拐點位置與標準曲線對應的拐點位置如箭頭所示。根據(jù)曲線拐點可以預測，微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)目前已結(jié)束嬰兒期，處于快速成長階段。由專利數(shù)量統(tǒng)計曲線可知：技術(shù)系統(tǒng)較嬰兒期階段有較快的發(fā)展，研發(fā)數(shù)量穩(wěn)步增長。而對于專利等級統(tǒng)計曲線的變化：當微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)進入穩(wěn)定的發(fā)展軌道，數(shù)量增長明顯，某個特定技術(shù)空間內(nèi)的專利密度增大，將會導致專利保護范圍的縮小，且會出現(xiàn)大部分針對單一要素進行某一指標的提高的專利技術(shù)，從而拉低專利等級。

2、Darrell Mann專利考察模式

在進行專利數(shù)據(jù)整理時，發(fā)現(xiàn)2000-2011年間高校申請和科研院所申請量占總申請量的96%，從側(cè)面說明微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)還處于研發(fā)階段，因為還沒有大規(guī)模投入使用，反映在Darrell Mann專利考察模式中，以降低成本為目的的專利申請會小于彌補技術(shù)缺陷的專利申請。

Darrell Mann專利考察模式主要應用是快速判斷技術(shù)是否進入成熟期。根據(jù)表2內(nèi)容，繪制彌補技術(shù)缺陷專利數(shù)量統(tǒng)計曲線和降低成本專利數(shù)量統(tǒng)計曲線，并與標準曲線進行對比，如圖4、圖5所示。

從圖4（a）和圖5（a）中可以看到在2009年到2010年間彌補技術(shù)缺陷專利數(shù)量和降低成本專利數(shù)量出現(xiàn)了明顯下滑，結(jié)合圖1（a）——專利數(shù)量統(tǒng)計曲線，可以看到其原因為2010年專利申請數(shù)量明顯低于2009年。這種情況的出現(xiàn)有以下的可能：（1）對專利申請的國家和地區(qū)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)2009年進入中國大陸的專利申請共7份，占2009年專利申請數(shù)量總數(shù)的17.9%，而2010年其他國家和地區(qū)進入中國大陸的專利申請數(shù)量為0，2011年同樣為0，說明其他國家和地區(qū)出于技術(shù)發(fā)展或?qū)＠麘?zhàn)略等原因，于2010年起逐漸放棄我國的專利市場，使專利申請數(shù)量受到影響，而這個原因很可能是由于遇到了產(chǎn)電能力難以大幅度提高的技術(shù)瓶頸以及生產(chǎn)成本的控制難以達到實現(xiàn)廣泛應用的目的；（2）微生物燃料電池領(lǐng)域的研究主力為高校和科研院所，2009年有24所高校及科研院所提交了專利申請，2010年僅有19所，研究室的科研方向轉(zhuǎn)向也部分影響了2010年的專利申請數(shù)量。

但是該曲線的下滑段并不影響曲線上升的總趨勢判斷，從圖4和圖5中可以看出，微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)還未進入成熟期，結(jié)合對專利信息的理解和兩種分類專利數(shù)量對比，應該還處于成長期當中。

五、結(jié)論

進入我國最早兩份關(guān)于微生物燃料電池的申請（申請?zhí)枺?0809995、00810805）均由韓國科學技術(shù)研究院于2000年遞交，之后才出現(xiàn)由我國高校興起的微生物燃料電池專利申請，在經(jīng)歷模仿、吸收后、開始創(chuàng)新，因此微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)歷的嬰兒期比較短暫，進入成長期比較迅速。

經(jīng)過對專利信息的分析，同時結(jié)合期刊文獻公開的關(guān)于微生物燃料電池的資料，認為應用Altshuller和Darrell Mann的專利考察模式對微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)的成熟度預測結(jié)果是可信的。在未來的發(fā)展中，微生物燃料電池技術(shù)將會不斷的成熟，成為污水處理領(lǐng)域的常用技術(shù)。

本文中應用Altshuller和Darrell Mann的專利考察模式對微生物燃料電池產(chǎn)品和技術(shù)進行分析，完成對我國微生物燃料電池產(chǎn)品和技術(shù)進行成熟度預測，研究表明：我國微生物燃料電池技術(shù)處于成長期階段，有很大的發(fā)展空間，研究應著力于局部創(chuàng)新和成本控制，推動微生物燃料電池向更高的產(chǎn)電能力和更好的污染物處理能力發(fā)展，并擴展應用領(lǐng)域。

在專利技術(shù)發(fā)展中，微生物燃料電池的技術(shù)改進主要為系統(tǒng)構(gòu)型的改變、電極材料的改進、交換膜材料的變化及微生物的選用等。