氫和氧是地球上最豐富的兩種元素。從空氣(氧氣在空氣中占21%)中很容易獲得氧氣,植物釋放出氧氣,人類吸入氧氣,接下來它不斷地循環(huán)。氫是水的基本組成元素。地球表面有70%覆蓋著海水,用少許電流就可以從海水中分解出氫。盡管蘊(yùn)涵著這樣豐富的資源,燃料電池裝置的潛力并沒有被重視。原因是制造它們的原料(例如,鉑金,化學(xué)堿,極純的氫和氧)是非常昂貴的,限制了它的大范圍商業(yè)化。然而,科學(xué)家和工程技術(shù)人員也沒有完全放棄對(duì)燃料電池進(jìn)行研究的努力。如果地球上的石油或煤資源耗盡,或變得稀有而不經(jīng)濟(jì),燃料電池是個(gè)可選用的能量來源。

    最近幾十年里,環(huán)境問題、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和科學(xué)進(jìn)步已經(jīng)把燃料電池推到了能源議程的前沿。如果所有的汽車都用燃料電池產(chǎn)生動(dòng)力,或者每所房子都有自己的燃料電池系統(tǒng),昂貴而又破壞環(huán)境的煤或核燃料還會(huì)有位置嗎?從環(huán)境角度來說,發(fā)展燃料電池技術(shù)的理由是充分的,商業(yè)潛力也是巨大的。挑戰(zhàn)來自于創(chuàng)造出低成本的燃料電池技術(shù),使所有的汽車、房子、隨身聽、筆記本電腦、手機(jī)、和MP3播放器都使用燃料電池。也許汽油價(jià)格較低時(shí),人們會(huì)降低對(duì)氫動(dòng)力的注意力,但事實(shí)表明,人們對(duì)氫動(dòng)力的興趣在不斷增加。

    一、全球?qū)＠�趨�?shì)

    分析燃料電池研究技術(shù)發(fā)展的一個(gè)最有效的方法就是考察同期專利申請(qǐng)的趨勢(shì)。專利是重要的金融投資和公司將某項(xiàng)發(fā)明投向市場(chǎng)的信號(hào),它能表明相關(guān)技術(shù)從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)品應(yīng)用的轉(zhuǎn)移。

    用關(guān)鍵詞和國(guó)際專利分類對(duì)1999—2003年這5年來國(guó)外的燃料電池專利進(jìn)行檢索。結(jié)果檢索到大約1萬余篇文獻(xiàn)。將這些文件按時(shí)間歸類,并繪制出這5年來的專利文獻(xiàn)數(shù)量變化圖表,顯示這段時(shí)期內(nèi)公布的國(guó)外燃料電池專利的數(shù)量出現(xiàn)了爆炸性的增長(zhǎng)(見圖1)。這段時(shí)間里,發(fā)明專利數(shù)量增長(zhǎng)了4倍以上,基本專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)超過了360%,1999年的申請(qǐng)不到1000件,2003年增長(zhǎng)至大約4000件。1999年,氫燃料電池的投入不像今天這樣巨大。這表明,公司之間在知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域中進(jìn)行著激烈的競(jìng)爭(zhēng),這些公司希望在其所申請(qǐng)的專利某一天能夠轉(zhuǎn)化為“搖錢樹”。

國(guó)外燃料電池專利數(shù)量申請(qǐng)時(shí)間分布

    從國(guó)外燃料電池專利申請(qǐng)數(shù)量的增長(zhǎng)上來看,參與研究的機(jī)構(gòu)已經(jīng)由單純的能量電池研究公司轉(zhuǎn)移到汽車制造廠商和消費(fèi)電子公司。從技術(shù)的角度上,該領(lǐng)域中還存在一些潛在的問題,例如,存儲(chǔ)易燃?xì)�。這些問題在燃料電池獲得專利和大量上市之前必須解決。

    很明顯,研究人員目前正在對(duì)燃料電池技術(shù)進(jìn)行大量的研究。圖2顯示1999年該領(lǐng)域中積極地申請(qǐng)專利的國(guó)外主要公司。從中可以明顯看出,日本公司是主要的專利權(quán)所有人,松下和三菱這兩個(gè)日本工業(yè)巨頭是其中的領(lǐng)導(dǎo)者。圖2還清楚地顯示了在1999年專利技術(shù)是由一般的對(duì)燃料電池感興趣的公司所申請(qǐng)。

    從專利文獻(xiàn)中可發(fā)現(xiàn),東芝在申請(qǐng)新技術(shù)專利方面很活躍,尤其在甲醇燃料電池(DMFC)領(lǐng)域。東芝已經(jīng)研制出一種用在移動(dòng)耳機(jī)和音頻播放器上的微型電池。同大約工作5小時(shí)的傳統(tǒng)鋰離子電池相比,使用DMFC專利技術(shù)的微型電池可連續(xù)工作10小時(shí)。

    與圖2類似,圖3顯示2003年該領(lǐng)域積極申請(qǐng)專利的國(guó)外的主要公司。從中可以發(fā)現(xiàn),在專利申請(qǐng)人的類型上有一個(gè)有趣的變化。不僅前10名中有半數(shù)為汽車制造商,而且排在第11位的通用汽車公司也是生產(chǎn)汽車的企業(yè)。    

圖2：1999年該領(lǐng)域中積極地申請(qǐng)專利的國(guó)外主要公司

圖3：2003年該領(lǐng)域積極申請(qǐng)專利的國(guó)外的主要公司

    如上所述,燃料電池技術(shù)已經(jīng)越來越多地引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注。經(jīng)濟(jì)和技術(shù)高速發(fā)展的中國(guó)同樣面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)。同時(shí),中國(guó)擁有如此巨大的市場(chǎng),沒有哪一個(gè)公司在重點(diǎn)發(fā)展某項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候,會(huì)忘記中國(guó)的市場(chǎng)。選擇1999—2003年這個(gè)時(shí)間段,來看一下中國(guó)燃料電池的專利狀況。

    對(duì)目前公布的1999—2003年的中國(guó)的燃料電池專利進(jìn)行檢索,得到1000多篇文獻(xiàn)。將其根據(jù)時(shí)間序列繪制成圖4。

中國(guó)燃料電池的專利狀況

    考慮到專利公開滯后的因素,從圖中可以看出,中國(guó)的燃料電池的專利與國(guó)際上同期專利的趨勢(shì)相似,在近年也呈現(xiàn)了大幅度攀升的趨勢(shì),申請(qǐng)量從1999年的90件,增長(zhǎng)到2003年的300多件。

    為了進(jìn)一步考察是哪些公司在積極進(jìn)行相關(guān)的研究,將1999年和2003年燃料電池專利的主要申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并繪制成圖5、圖6。    

1999年燃料電池專利的主要申請(qǐng)人

2003年燃料電池專利的主要申請(qǐng)人

    從圖5中可以看出,1999年燃料電池在中國(guó)的專利申請(qǐng),絕大多數(shù)掌握在外國(guó)公司手中。并且,這些公司分別屬于多個(gè)國(guó)家,并沒有哪一個(gè)國(guó)家是絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者。這些分別屬于不同產(chǎn)業(yè)的公司,在中國(guó)這個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)上關(guān)于燃料電池的技術(shù)進(jìn)行了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。然而,這種狀況到了2003年,就有了明顯的改觀。

    從圖6可以看到,2003年燃料電池的前10名專利申請(qǐng)人中有六名是中國(guó)的,而且其申請(qǐng)量較大,這說明有關(guān)專利技術(shù)很大程度上掌握在中國(guó)的公司和研究機(jī)構(gòu)的手中。由此可以看到中國(guó)在近年對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量的投入,在5年間取得了驕人的成績(jī)。

    從圖6還可以看到,2003年申請(qǐng)中國(guó)專利的國(guó)外公司的格局也有很大變化。如果說1999年,該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)分散掌握在諸如美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士等多個(gè)國(guó)家的話,那么到了2003年,外國(guó)公司在中國(guó)的申請(qǐng)大多數(shù)都集中到了日本公司的手中,同時(shí)韓國(guó)的公司也開始參與了中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

    二、專利應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域

    很明顯,1999—2003年燃料電池技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了某些變化。為了找到答案,應(yīng)該更深入地研究燃料電池在哪些技術(shù)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

    1.燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域

    自NASA首次使用堿性燃料電池開始,人們已經(jīng)開發(fā)了多種新型的燃料電池,這些燃料電池各有其優(yōu)缺點(diǎn)。NASA堿性電池非常昂貴,而且需要非常純的燃料。這種類型的電池只適用于太空市場(chǎng),因?yàn)楹教炀值娜藛T傾向于用純氫和純氧燃料為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,這種電池不能輕易向消費(fèi)市場(chǎng)提供,因?yàn)槿剂衔廴臼莻�(gè)大問題。

    人們需要的燃料電池是那種制造起來相對(duì)便宜并且對(duì)燃料要求是“開放的”,即采用非純氫或純氧的燃料,同時(shí),電池盡可能保持較高能量的輸出。如果要開發(fā)適用的、受歡迎的產(chǎn)品,那么電池重量、電池啟動(dòng)時(shí)間和供電時(shí)對(duì)變化的反應(yīng)等問題都非常重要。

    在過去的20年中,人們開發(fā)了許多符合這些條件的電池,雖然它們并不能同時(shí)具有上述特性,但現(xiàn)在有一些可供使用的專用燃料電池。例如,為倫敦的公共汽車開發(fā)的燃料電池和高性能汽車的燃料電池。為醫(yī)院、家庭和隨身聽提供能量的電池,它們都有各自不同適用的容量。

汽車行業(yè)專利申請(qǐng)量

    從圖7中可看出,汽車行業(yè)的專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他行業(yè),而移動(dòng)電話和手提電腦方面的專利申請(qǐng)量從2001年開始出現(xiàn)了一定的增長(zhǎng)。有關(guān)空間技術(shù)的專利申請(qǐng)量只占總量的一小部分,其原因很有可能是設(shè)定了保密條例,防止由于專利授予而使有關(guān)技術(shù)在公共領(lǐng)域泄漏。

    目前,有兩個(gè)領(lǐng)域?qū)�供電壽命有迫切需求。人們期望手提�?jì)算機(jī)中的新式可充電式鋰電池在電量耗盡之前,能夠持續(xù)使用4個(gè)小時(shí)左右。如果能夠用燃料電池為手提計(jì)算機(jī)供電,那么,在持續(xù)使用一個(gè)月后當(dāng)它沒電的時(shí)候,選擇什么來替代它呢?另外,從專利文獻(xiàn)中可以注意到,移動(dòng)電話和手提電腦方面的專利申請(qǐng)是相關(guān)聯(lián)的,因?yàn)閷＠麢?quán)人在他們的專利中詳細(xì)列舉了相關(guān)的應(yīng)用。這些應(yīng)用與移動(dòng)PDA和相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)投入的增長(zhǎng)是分不開的。

    日本在移動(dòng)手機(jī)或便攜式計(jì)算機(jī)專利方面的研究活動(dòng)頻繁,該地區(qū)的主要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商DoCoMo公司一直致力于推動(dòng)能為本地新開發(fā)的高端手機(jī)高效供電的電池。隨著3.5G和混合Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的興起,新的帶寬的利用,對(duì)功耗裝置提出了新的要求。

    在移動(dòng)競(jìng)技舞臺(tái)上燃料電池的新應(yīng)用就是為藍(lán)牙耳機(jī)供電。諾基亞一直試圖從12ml的甲醇瓶中找到能維持通話60小時(shí)、待機(jī)200小時(shí)的電源的解決方案。前文圖中的公司,例如,日立公司、索尼公司、東芝公司和松下電器工業(yè)有限公司,都很注重便攜式消費(fèi)電器的燃料電池的發(fā)展?jié)摿Α?

汽車的專利申請(qǐng)占據(jù)了燃料電池領(lǐng)域?qū)＠�申�?qǐng)的主要部分

    從圖8看到,燃料電池的中國(guó)專利中,應(yīng)用于汽車的專利申請(qǐng)占據(jù)了燃料電池領(lǐng)域?qū)＠�申�?qǐng)的主要部分;另外有大量的專利文獻(xiàn)指明,其所披露的燃料電池技術(shù)或燃料電池零部件的生產(chǎn)適用于各種對(duì)能源有需求的產(chǎn)業(yè),這一類專利申請(qǐng)的數(shù)量其次;微型燃料電池可以作為移動(dòng)電源用于消費(fèi)電器,如移動(dòng)電話、便攜式攝像機(jī)等,這類的專利申請(qǐng)量也比較大。此外,從專利文獻(xiàn)來看,燃料電池作為固定組合電源用于民用發(fā)電等領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量也在逐步上升。

    2.便攜消費(fèi)電器的安全

    燃料電池存在有爆炸的潛在危險(xiǎn)。這個(gè)嚴(yán)重的安全問題,或至少出于安全性的考慮,影響了燃料電池在手提電腦和移動(dòng)電話上的使用。倘若在手提電腦中使用體積雖小卻有爆炸性的內(nèi)置氫罐,不難想像公眾和相關(guān)媒體強(qiáng)烈的反應(yīng)。要保證在飛機(jī)上手提電腦和移動(dòng)電話的安全,安全性的問題更為突出。怎樣儲(chǔ)存氫氣,能使其處于惰性、不易燃狀態(tài),又便于應(yīng)用到燃料電池中呢?人們?cè)鯓硬拍茉诠潭ㄒ?guī)格的罐中填充足量的氫氣,并確保比一般充電電池供能時(shí)間更長(zhǎng)呢?

    雖然消費(fèi)者并不在意帶著易燃液體駕駛,但對(duì)于打電話和使用手提電腦,卻是另外一回事。很明顯,安全性對(duì)任何應(yīng)用都是問題,尤其當(dāng)燃料的供應(yīng)離手的位置較近。對(duì)安全性能的關(guān)注已經(jīng)成為燃料電池專利發(fā)展的趨勢(shì)。大量資金不再投向燃料電池、電解、電極、容器和冷卻系統(tǒng),而是轉(zhuǎn)向電池的存儲(chǔ)裝置和燃料供應(yīng)上。這樣的趨勢(shì)從圖9中可以看到。1999年這方面的專利申請(qǐng)不到100件,而2003年,這方面的申請(qǐng)超過700件。

國(guó)外燃油存儲(chǔ)、供應(yīng)專利申請(qǐng)表

    中國(guó)在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)狀況可以從圖10中看到。作為燃料電池技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),在燃料的存儲(chǔ)、供應(yīng)方面的中國(guó)專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速。通過瀏覽相關(guān)文獻(xiàn),可以看出汽車、消費(fèi)電器、供電等行業(yè)的申請(qǐng)人都在關(guān)注該技術(shù)的發(fā)展。

中國(guó)在燃料存儲(chǔ)、供應(yīng)方面的專利申請(qǐng)狀況

    3.納米技術(shù)

    20世紀(jì)80年代后期,有人發(fā)現(xiàn)某種形態(tài)的碳將自身包裝在一個(gè)不透氣的原子管內(nèi),形成了一個(gè)獨(dú)立狹長(zhǎng)的、不可思議的纖維管。到目前為止,人們并沒有實(shí)際使用過這些納米碳管/納桿/納碳等�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),納米碳管(CNTs)可以儲(chǔ)存惰性氫。這些管很微小,這一特性意味著“能量密集”,即納米碳管每平方厘米中可用氫的數(shù)量非常高。目前,這一實(shí)例只在小型裝置中應(yīng)用過,還未能使用它解決實(shí)際問題,但汽車廠商在燃料電池這一特殊領(lǐng)域的專利申請(qǐng)活動(dòng)非常活躍。汽車廠商制造燃料電池和汽車產(chǎn)品時(shí)依然需要?dú)涔蕖⒈煤腿剂瞎��?yīng)裝置。

    三、專利申請(qǐng)的地域性趨勢(shì)

    將每項(xiàng)發(fā)明第一次提出專利申請(qǐng)的國(guó)家(優(yōu)先權(quán)國(guó)家)做成圖,可以了解專利的地域性趨勢(shì)。一些專利權(quán)人習(xí)慣在他們自己的國(guó)家申請(qǐng)專利,但他們有時(shí)也會(huì)因?yàn)橄氲玫礁�好地保護(hù)或者因?yàn)檫@些國(guó)家是豐厚利潤(rùn)回報(bào)的市場(chǎng),而向其他國(guó)家的專利機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)。2003年燃料電池申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人列表中惟一的美國(guó)汽車公司是通用汽車公司。

    從圖11中可以看出,日本稱霸于這一技術(shù)領(lǐng)域,但美國(guó)2003年的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)量份額,比1999年有很大的增長(zhǎng),超越了歐洲專利局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織這兩大國(guó)際專利機(jī)構(gòu),排名從第五位上升到第二位。

1999年專利申請(qǐng)的地域性趨勢(shì)

2003年專利申請(qǐng)的地域性趨勢(shì)

    不過德國(guó)和其他的歐洲國(guó)家失去了專利申請(qǐng)的很大份額。在5年間盡管他們實(shí)際申請(qǐng)數(shù)量翻了3倍,但仍舊無法與日本和美國(guó)申請(qǐng)量的增長(zhǎng)相比。圖12中可以看到德國(guó)在排名榜上從第三位跌到了第五位,歐洲也失去了巨大份額。值得注意的是韓國(guó)專利一直保持著一定份額。

    四、結(jié)論

    從20世紀(jì)五六十年代狹小的空間技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,成長(zhǎng)為21世紀(jì)早期的朝陽(yáng)工業(yè),無疑燃料電池技術(shù)已經(jīng)成熟。30年前,煤和石油不適合用做空間探索的燃料,因此,NASA需要燃料電池。如今,發(fā)展燃料電池技術(shù)是為了補(bǔ)充、豐富煤和石油的供應(yīng)。石油價(jià)格的提高和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),迫使公司必須在二者之間做出抉擇:或是繼續(xù)使用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),或是尋求降低對(duì)礦物燃料能源全球依賴性的方法。惡劣的氣候變化引發(fā)了人們對(duì)地球的關(guān)注,企業(yè)無論是出于社會(huì)效益或經(jīng)濟(jì)利益的動(dòng)機(jī),都已經(jīng)不能再忽視環(huán)境問題。

    在1999—2003年的5年里,汽車工業(yè)已經(jīng)成為燃料電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠�申�?qǐng)量最大的產(chǎn)業(yè),其中美國(guó)和日本的專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)最多,中國(guó)專利申請(qǐng)的增長(zhǎng)勢(shì)頭也很可觀。但是,歐洲汽車工業(yè)卻表現(xiàn)平平,其專利申請(qǐng)量在不斷下降。

    另外,上述分析還顯示,企業(yè)不僅僅是在空間技術(shù)和汽車領(lǐng)域的燃料電池方面進(jìn)行投資,他們還著眼于電話,電腦,數(shù)碼相機(jī),居室及任何一個(gè)可能使用氫的地方。這是由于氫燃料電池重量輕、能耗又較普通電池和內(nèi)燃機(jī)低,使它能夠作為清潔的能源。

    專利分析展示,該領(lǐng)域的研發(fā)和專利申請(qǐng)一直都很活躍。這說明,科學(xué)家和工程技術(shù)人員正在為人類向清潔、低污染、低資源依賴的未來邁進(jìn)而努力工作。氫革命的真正實(shí)現(xiàn)指日可待,這不僅有益于機(jī)構(gòu)、團(tuán)體和消費(fèi)者,還有益于我們生活的星球。

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