大連理工大學(xué)公共管理與法學(xué)學(xué)院暨WISE實(shí)驗(yàn)室 ■ 欒春娟

大連日?qǐng)?bào)社資料室 ■ 汪莉

0 引言

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池技術(shù)涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等多門(mén)學(xué)科的有關(guān)理論[1-2]。作為一種新型的清潔能源，燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%[3]，而火力發(fā)電和核電的效率約在30%～40%[4]。燃料電池還具有電站占地面積小、建設(shè)周期短、電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝、安裝地點(diǎn)靈活、負(fù)荷響應(yīng)快、運(yùn)行質(zhì)量高等多方面優(yōu)點(diǎn)[5-6]。在后危機(jī)時(shí)代，各國(guó)紛紛將燃料電池技術(shù)作為新興產(chǎn)業(yè)予以扶持發(fā)展[7-8]。美國(guó)氫燃料電池汽車示范項(xiàng)目研究計(jì)劃顯示[9-10]，美國(guó)汽車廠商能在2014～2016年間將氫燃料電池汽車推向市場(chǎng)。

中國(guó)的燃料電池研究始于1958年，是由原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開(kāi)展的“熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)”研究。1970年代，在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究出現(xiàn)第一次高潮。到1990年代中期，在科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)下，中國(guó)進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[11]。但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距[12-13]。2010年，在《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》“新能源汽車產(chǎn)業(yè)”中強(qiáng)調(diào)[14-15]，要開(kāi)展燃料電池汽車相關(guān)前沿技術(shù)研發(fā)，大力推進(jìn)高能效、低排放節(jié)能汽車發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料電池技術(shù)的研究主要集中于燃料電池技術(shù)的成本[16-17]、燃料電池技術(shù)的效率[3]、燃料電池技術(shù)應(yīng)用[9]、燃料電池技術(shù)的有關(guān)政策分析[18]、燃料電池技術(shù)的評(píng)估[7]、燃料電池技術(shù)的發(fā)展預(yù)測(cè)[19]、燃料電池高被引技術(shù)特征[13]、燃料電池技術(shù)合作網(wǎng)絡(luò)[12]等方面。但我們尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)全球燃料電池領(lǐng)域技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)度的相關(guān)研究成果。

本研究擬對(duì)從世界專利數(shù)據(jù)庫(kù)下載的全球燃料電池專利數(shù)據(jù)進(jìn)行專利計(jì)量，繪制不同發(fā)展階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以期為我們從宏觀方面把握全球燃料電池不同發(fā)展階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃我國(guó)燃料電池發(fā)展的研發(fā)活動(dòng)提供可視化圖譜和決策參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的專利數(shù)據(jù)來(lái)自于《德溫特創(chuàng)新索引》數(shù)據(jù)庫(kù)(Derwent Innovations Index，縮寫(xiě)為DII)。依據(jù)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)《2012年知識(shí)產(chǎn)權(quán)指標(biāo)報(bào)告》[20]中對(duì)燃料電池專利技術(shù)的IPC界定，確定了以下檢索策略：IPC代碼=(H01M-004/00OR H01M-004/86OR H01M-004/88OR H01M-004/90OR H01M-008/00OR H01M-008/02OR H01M-008/04OR H01M-008/06OR H01M-008/08OR H01M-008/10OR H01M-008/12OR H01M-008/14OR H01M-008/16OR H01M-008/18OR H01M-008/20OR H01M-008/22OR H01M-008/24)；時(shí)間跨度=1968-2012；數(shù)據(jù)庫(kù)= CDerwent, EDerwent, MDerwent。檢索并下載全球1968～2012年153878條專利數(shù)據(jù)文獻(xiàn)，作為本研究的數(shù)據(jù)樣本，數(shù)據(jù)下載日期為2013年4月19日，涉及專利數(shù)據(jù)為已出版的專利申請(qǐng)，而非授權(quán)專利。由于DII收錄的專利數(shù)據(jù)常與主要國(guó)家的專利公開(kāi)時(shí)間存在約8個(gè)月的時(shí)滯，因此導(dǎo)致2012年的數(shù)據(jù)不全，而2011年前的數(shù)據(jù)較全面。如WIPO[20]報(bào)告所言，盡管IPC代碼與技術(shù)領(lǐng)域之間并沒(méi)有非常清晰的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，要檢索出某一特定技術(shù)領(lǐng)域的全部專利是件很困難的事情，但以此IPC代碼檢索的全球燃料電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)最大限度地保證了查全。

圖1顯示出1968～2012年全球燃料電池專利數(shù)量年度分布狀況。最高峰出現(xiàn)在2008年度，該年專利申請(qǐng)數(shù)量為7817件。我們依據(jù)不同年度、不同年度專利申請(qǐng)量和不同年度的德溫特分類代碼(Derwent Class Code，縮寫(xiě)為DC)數(shù)量，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析(Hierachical Cluster Analysis)[21-22]，將45年的發(fā)展期間聚類后劃分為3個(gè)階段(圖1)。第一階段為1968～2001年，該階段發(fā)展速度較平穩(wěn)、緩慢；第二階段為2002～2008年，該階段的專利數(shù)量快速增長(zhǎng)；第三階段為2009～2012年，該階段專利數(shù)量呈明顯下降的發(fā)展趨勢(shì)。本文的燃料電池技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演進(jìn)的分析將分別按照這3個(gè)階段進(jìn)行。

1.2 研究方法

本研究主要采用技術(shù)共類分析方法和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行。具體研究方案和操作步驟為：首先，運(yùn)用大型文獻(xiàn)處理軟件Bibexcel[23]，對(duì)每一階段的全球燃料電池專利數(shù)據(jù)的DC進(jìn)行分析，得到每一階段專利數(shù)據(jù)共涉及到的不同DC技術(shù)領(lǐng)域；而后，全部選中這些技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)共類分析，得到技術(shù)共類矩陣后，運(yùn)用Jaccard系數(shù)計(jì)算公式[24]，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)共類矩陣[25-26]；最后，運(yùn)用Ucinet軟件包的網(wǎng)絡(luò)繪制工具Netdraw，通過(guò)不斷調(diào)整閾值并將Jaccard系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為(0,1)矩陣，繪制出清晰的、具有明顯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用Girvan-Newman[27]算法，探測(cè)全球燃料電池領(lǐng)域每一發(fā)展階段的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 1968～2012年燃料電池專利數(shù)量年度分布

2 分析結(jié)果

2.1 第一階段燃料電池技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(1968～2001年)

運(yùn)用上述研究方案與操作步驟，繪制出全球燃料電池領(lǐng)域第一階段清晰的、具有明顯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)(圖2)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，采用DC的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，即由一個(gè)字母和兩位數(shù)字組成，比如Q23、J12、E36等，代表德溫特技術(shù)大類之下的二級(jí)技術(shù)子類/小類。目前，德溫特分類代碼之下共有281個(gè)這樣的二級(jí)技術(shù)子類。具體結(jié)構(gòu)為：A代表高分子聚合物與塑料，屬于德溫特技術(shù)大類；A1代表添加與天然聚合物，屬于德溫特一級(jí)技術(shù)子類；A12為高于二烯烴的高分子聚合物，屬于德溫特二級(jí)技術(shù)子類。

在得到圖2的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)后，我們進(jìn)一步采用Girvan-Newman算法探測(cè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽，比如“測(cè)量?jī)x表”，是在全面查看該子網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)領(lǐng)域信息后概括出來(lái)標(biāo)注的。其他的子網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注，以及圖3和圖4中子網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)注方法，也采用相同方法。

圖2顯示，第一階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：生物發(fā)酵、測(cè)量?jī)x表、核發(fā)電與運(yùn)輸-存儲(chǔ)系統(tǒng)、電化學(xué)存儲(chǔ)、電器應(yīng)用和非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)等。其中，生物發(fā)酵子網(wǎng)絡(luò)位于相對(duì)比較核心的位置，連接著電化學(xué)存儲(chǔ)、測(cè)量?jī)x表和核發(fā)電與運(yùn)輸-存儲(chǔ)系統(tǒng)幾個(gè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；其他子網(wǎng)絡(luò)，盡管沒(méi)有位于網(wǎng)絡(luò)中心地帶，但大多也都連接著幾個(gè)不同子網(wǎng)絡(luò)。比如測(cè)量?jī)x表，連接著生物發(fā)酵、電器應(yīng)用和非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)3個(gè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；電器應(yīng)用則連接著核發(fā)電與運(yùn)輸-存儲(chǔ)系統(tǒng)、非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x表3個(gè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)。

2.2 第二階段燃料電池技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(2002～2008年）

運(yùn)用同樣的方法和步驟，繪制出全球燃料電池領(lǐng)域第二階段清晰的、具有明顯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)(圖3）。

圖2 第一階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（閾值=0.06）

圖3 第二階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（閾值=0.04）

由圖3可知，第二階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：較大的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)主要有電動(dòng)汽車與電化學(xué)存儲(chǔ)、生物發(fā)酵、測(cè)量?jī)x表、電器應(yīng)用、非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)、道路照明；還有一個(gè)較小的子網(wǎng)絡(luò)包裝與密封。與第一階段相比較，電動(dòng)汽車相關(guān)的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)形成并且發(fā)展為一個(gè)較大的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)，該子網(wǎng)絡(luò)位于網(wǎng)絡(luò)的中心地帶，連接著生物發(fā)酵、非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)和電器應(yīng)用3個(gè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；形成了道路照明技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)，表明燃料電池技術(shù)領(lǐng)域得到進(jìn)一步擴(kuò)展和應(yīng)用；該階段還形成了燃料電池技術(shù)相關(guān)的包裝與密封技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)。

2.3 第三階段燃料電池技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(2009～2012年)

運(yùn)用同樣的方法和步驟，繪制出燃料電池技術(shù)領(lǐng)域第三階段清晰的、具有明顯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)(圖4)。

圖4 第三階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（閾值=0.035）

由圖4可知，第三階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)車輛與電化學(xué)存儲(chǔ)是兩個(gè)最大的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；“核發(fā)電和其他動(dòng)力系統(tǒng)”與“包裝-密封-連接”是兩個(gè)較大的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；此外，還有兩個(gè)相對(duì)較小的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)：汽車電器和電子控制系統(tǒng)。與前兩階段不同的是，電動(dòng)車輛與電化學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)持續(xù)擴(kuò)大；形成了汽車電器和電子控制系統(tǒng)連個(gè)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)；包裝-密封相關(guān)的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)得到進(jìn)一步發(fā)展；更為明顯的是，非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)得到空前的發(fā)展壯大，成為第三階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中的最大技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)，涵蓋了眾多DC技術(shù)領(lǐng)域。

3 結(jié)論與討論

3.1 主要結(jié)論

本文選取從世界專利數(shù)據(jù)庫(kù)《德溫特創(chuàng)新索引》下載的全球燃料電池專利數(shù)據(jù)，采用技術(shù)共類分析方法和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法，進(jìn)行專利計(jì)量分析和技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)探測(cè)，得到以下主要結(jié)論：

1) SPSS軟件階段劃分結(jié)果顯示，全球燃料電池專利技術(shù)的發(fā)展共包括3個(gè)階段：第一階段發(fā)展速度比較平穩(wěn)、緩慢；第二階段快速增長(zhǎng)；第三階段呈現(xiàn)明顯下降的發(fā)展趨勢(shì)。

2) 第一階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：生物發(fā)酵、測(cè)量?jī)x表、核發(fā)電與運(yùn)輸-存儲(chǔ)系統(tǒng)、電化學(xué)存儲(chǔ)、電器應(yīng)用和非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)等。

3) 第二階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：電動(dòng)汽車與電化學(xué)存儲(chǔ)、生物發(fā)酵、測(cè)量?jī)x表、電器應(yīng)用、非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)、道路照明和包裝與密封。

4) 第三階段的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)主要包括的技術(shù)子網(wǎng)絡(luò)為：非礦燃料發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)車輛與電化學(xué)存儲(chǔ)、核發(fā)電和其他動(dòng)力系統(tǒng)、包裝-密封-連接、汽車電器和電子控制系統(tǒng)。

在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰的狀態(tài)下，技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的閾值呈逐漸降低趨勢(shì)。

3.2 討論

本研究的創(chuàng)新之處表現(xiàn)在：將技術(shù)共類分析方法與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合，選取新興的全球燃料電池領(lǐng)域，以世界專利數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，宏觀地分析了全球燃料電池領(lǐng)域技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)，對(duì)我們整體把握該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了形象的可視化網(wǎng)絡(luò)圖譜。

為什么2009年后全球燃料電池專利數(shù)量年度分布明顯下降呢？燃料電池雖然具有能源安全性、燃料多樣性和高效能等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展過(guò)程中，尤其是產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，也遇到了價(jià)格和技術(shù)等方面的一些瓶頸。這些瓶頸具體包括：燃料電池造價(jià)偏高，比如，車用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的成本中，質(zhì)子交換隔膜(300美元/m2)約占成本的35%、鉑觸媒約占40%[28-29]，二者均為貴重材料。反應(yīng)與啟動(dòng)性能還存在一些問(wèn)題，據(jù)測(cè)算，燃料電池的啟動(dòng)速度尚不及內(nèi)燃機(jī)引擎[30]；盡管反應(yīng)性可借助增加電極活性、提高操作溫度和反應(yīng)控制參數(shù)等來(lái)達(dá)到，但是，提高穩(wěn)定性則必須避免副反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)性與穩(wěn)定性常常難以同時(shí)兼顧[31]。碳?xì)淙剂蠠o(wú)法直接被利用[32-33]，除甲醇外，其他的碳?xì)浠衔锶剂隙夹杞?jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用，而這些設(shè)備無(wú)疑在一定程度上增加了燃料電池系統(tǒng)的投資額。氫氣儲(chǔ)存技術(shù)目前尚不理想，由于燃料電池電動(dòng)汽車的氫燃料是以壓縮氫氣為主，因此車體的載運(yùn)量受到限制，每次充填量?jī)H有約2.5～3.5kg，這些能量還不能滿足現(xiàn)今汽車單程跑480～650km的能源供給[34-35]。另外，氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足也是一個(gè)重要的瓶頸問(wèn)題。雖然氫氣在工業(yè)界已使用多年并且具有經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但全世界的充氫站只有約70個(gè)[36-37]，且加氣時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)不能滿足快速運(yùn)轉(zhuǎn)的社會(huì)需要。由于以上限制，導(dǎo)致2009年以后燃料電池領(lǐng)域的研發(fā)主體數(shù)量明顯下降：2008年全球共有3805個(gè)專利申請(qǐng)人，2009年減少為3153個(gè)，2010年減少為2511個(gè)，2011年為2038個(gè)，專利申請(qǐng)人數(shù)量的銳減，也是全球燃料電池專利數(shù)量減少的一個(gè)重要原因。

全球燃料電池3個(gè)階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)分析，一方面揭示出燃料電池技術(shù)正逐步走向?qū)嵺`應(yīng)用領(lǐng)域，比如電動(dòng)汽車、道路照明等；另一方面揭示出雖然燃料電池用途廣泛，既可應(yīng)用于軍事、空間、發(fā)電廠領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車、移動(dòng)設(shè)備、居民家庭等領(lǐng)域，但隨著時(shí)代的發(fā)展，電動(dòng)汽車領(lǐng)域越來(lái)越成為燃料電池應(yīng)用的主要方向，市場(chǎng)已有多種采用燃料電池發(fā)電的電動(dòng)車出現(xiàn)。燃料電池汽車將首先出現(xiàn)在環(huán)保法規(guī)比較嚴(yán)格、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的國(guó)家和地區(qū)，即主要是美國(guó)、日本和西歐。比如，美國(guó)的加利福尼亞州、康涅狄格州、佛羅里達(dá)州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、新澤西州以及紐約和華盛頓等[38-39]。日本的人口密集程度之高在世界上是家喻戶曉的，加上其自身能源的匱乏，電動(dòng)汽車必將在其國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。西歐、中歐和北歐的一些大城市，也將是電動(dòng)汽車普及的重要城市。經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)遠(yuǎn)一段時(shí)期，比如25年左右，燃料電池汽車也會(huì)在中國(guó)的一些特大城市、東南亞、東歐地區(qū)等普及[40-41]?？傊?，電動(dòng)汽車及其相關(guān)技術(shù)將是燃料電池的重要應(yīng)用和發(fā)展領(lǐng)域。

3個(gè)階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)閾值逐漸降低的趨勢(shì)，再一次驗(yàn)證了技術(shù)發(fā)散與收斂的發(fā)展規(guī)律[42]。一方面，伴隨一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，支撐和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的其他關(guān)聯(lián)技術(shù)不斷擴(kuò)展，技術(shù)關(guān)聯(lián)度呈現(xiàn)出技術(shù)跨領(lǐng)域、跨類型的發(fā)散性演變態(tài)勢(shì)；另一方面，隨著一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)收斂性趨勢(shì)日益明顯，關(guān)聯(lián)的共性技術(shù)相對(duì)愈加集中。新興技術(shù)領(lǐng)域正是在與這樣兩種趨勢(shì)共發(fā)展、相互作用、互為因果、連鎖進(jìn)步中不斷取得變革和創(chuàng)新發(fā)展。

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