應用Altshuller和Darrell Mann模式對專利產品技術成熟度預測

沈璐　杜驍勇

一、 引言

1、Altshuller和Darrell Mann專利考察模式

前蘇聯著名發明家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明創造、解決技術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創新的工具和方法，如：矛盾解決原理、物質場分析等。產品技術成熟度預測是TRIZ理論的一項重要研究內容。科研工作者和生產者可以通過對產品技術成熟度的預測，了解產品技術的進化過程，為進一步的科研、生產策略和計劃制定提供參考，對技術發展具有重要意義。

本文采用的產品技術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品技術成熟度預測：通過對大量專利的分析，Altshuller將專利分為五個等級，并發現了專利等級、專利數量和獲利能力隨技術系統生命周期的變化規律，這些規律和S曲線（產品進化過程曲線）一起被后來的技術預測專家用來進行產品技術成熟度預測。

（2）應用Darrell Mann專利考察模式進行產品技術成熟度預測：受Altshullar專利考察模式的啟發，Darrell Mann根據專利的基本功能，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量隨技術系統生命周期的變化規律。據此進行產品技術成熟度預測，能夠較快確定技術是否已經過了成熟期。

2、微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學技術將微生物代謝能轉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電微生物氧化，產生電子與質子，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，形成回路產生電流。而質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、適用范圍廣泛等優點，目前已經成為治理污染、開發新能源方面的研究新熱點。

目前針對MFC專利領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產品技術成熟度預測的研究未見報道。

二、樣本構成

1、檢索數據庫

使用的檢索系統為CNABS。

2、檢索關鍵詞及主要分類號

關鍵詞：微生物、燃料電池、MFC

主要分類號：分類號： C02F、H01M

3、檢索結果

檢索截止日為2012年11月30日，經過去除噪音及去除同樣的發明創造后，共獲取2000-2011年相關專利申請182篇，作為主要統計分析樣本；2000年之前未見相關專利申請；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發明的專利五級分級標準，通過全面閱讀分析專利信息（權利要求書、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，最后統計數量，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，首先通過對專業背景資料和專利信息的閱讀，對微生物燃料電池技術的發展有全面的了解，主要分析專利申請所要解決的技術問題，以及解決該問題所采取的技術手段。通過閱讀分析，可以主觀的了解技術的繼承與發展脈絡，為分級作準備。

在專利技術發展中，微生物燃料電池的技術改進主要為系統構型的改變、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構上可以分為單室MFC和雙室MFC兩種。典型的雙室MFC由陽極室、質子交換膜和陰極室組成。單室MFC省去陰極室直接把質子膜固定在陰極上，陰極室暴露在空氣中，空氣中的氧氣直接傳遞給陰極。二者各具有優缺點，在專利發展中發明人對MFC構型進行不斷的調整，以克服在先技術的缺陷。例如申請號為20051001185.5（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；申請號為20051008661.8（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構的變形，即主要由筒狀的陽極室、陰極室及將兩室中間隔開的質子交換膜構成；申請號20071014496.5（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型的優點，并結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產電機理來看，陽極作為產電微生物附著的載體，不僅影響產電微生物的附著量，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，主要是氧化態的物質，近年在專利申請中也較為常見。例如申請號為20071019540.5的專利提供了一種鐵離子循環電極及其制備方法；申請號為20071019656.9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；申請號為20091004092.0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；申請號為20101001927.1的專利中使用碳化鎳鉬作為微生物燃料電池陽極；申請號為20101022015.2（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子通過，其中質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子交換膜進行取代成為專利申請的一個發展趨勢，例如：申請號為20051011421.3（燃料電池用菌紫質質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子交換膜，對環境不造成污染有效地降低了質子交換膜的生產成本；申請號為20081002795.3（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，具有與傳統使用質子交換膜MFC相當甚至略高的輸出功率與產電性能，能很好的替代傳統使用質子交換膜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，從而影響對有機質的去除和/或能量輸出功率。在微生物的選用上，根據不同的發明目的有產氣腸桿菌（申請號為20081002922.2）、海洋酵母（20091009798.8）、希瓦氏菌（申請號為20091014094.3和20091030567.7）、弗氏檸檬酸桿菌（20091019363.9）、蠟樣芽孢桿菌（20111034751.2）等等。

此外，在應用的領域上，除了傳統的用于發電和廢水處理的微生物燃料電池之外，該技術擴展到其它的廣大領域中，例如：申請號為20061003825.2（一種生態廁所）的專利申請利用微生物燃料電池理論，設計了糞便-微生物-質子膜-電極構成的“糞便電池”；申請號為20091009346.8的專利申請公開了一種面向植入式醫療設備供電的微生物燃料電池系統，該系統設置在人體的橫結腸中，利用腸道微生物和內容物產電，可為植入式醫療設備提供能源；申請號為20101014660.4（微生物燃料電池及安有該電池的發電裝置）的專利申請公開了一種安有微生物燃料電池的發電裝置在稻田進行微生物發電中的應用；申請號為20111008632.6的專利申請中的微生物燃料電池能降解揮發性有機物，在處理揮發性有機廢氣的同時實現電能的回收。

2、分級

Altshuller的專利五級分級標準，具體如表1所示：

經過對專利信息的閱讀分析后，確立了標志性專利：申請號為00810805（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、廢水處理三個領域的知識，采用交叉學科解決了產電的同時能夠進行污水處理的的技術問題，創造了一種新的系統（僅在專利領域考慮）。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；申請號為20051001185.5（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，使系統發生了質變，經過綜合考慮，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，也要經過縱向比較，分析其所要解決的技術問題及采用的技術手段，根據分類標準來定級，例如：申請號為20061014499.1（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，這種構型雖然是首次出現，但是為通過數量的疊加來提高產電能力，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，如果專利中出現其他的技術特征，協同使得該專利較之前的專利申請有質的改變，分級可以再考慮；申請號為20091004203.8（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合起來，使系統發生了質的變化，用到了全行業的知識，因此定位2級；申請號為20091007803.6（一種用于同步產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電流在處理污水、產電的同時脫鹽。使系統發生了質的變化，用到了全行業的知識，因此定位2級；申請號為20101022182.0（一種植物——土壤微生物燃料電池系統）的專利申請中，使陽極電極置于植物根部周圍的土壤內，陰極電極置于土壤表面。主要以植物光合作用生產并釋放到根部的有機質為燃料，避免了產電微生物以污水中有機質為燃料時，有機質對產電微生物的抑制作用，從而導致產電效率低的問題。系統發生變化，用到了全行業的知識，定位2級。

經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如表2所示：

四、微生物燃料電池產品技術成熟度預測

1、Altshullar專利考察模式

根據表2內容，繪制專利數量統計曲線和專利等級統計曲線，并與標準曲線進行對比，如圖1、圖2所示。

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

2、Darrell Mann專利考察模式

在進行專利數據整理時，發現2000-2011年間高校申請和科研院所申請量占總申請量的96%，從側面說明微生物燃料電池產品技術還處于研發階段，因為還沒有大規模投入使用，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是否進入成熟期。根據表2內容，繪制彌補技術缺陷專利數量統計曲線和降低成本專利數量統計曲線，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年間彌補技術缺陷專利數量和降低成本專利數量出現了明顯下滑，結合圖1（a）——專利數量統計曲線，可以看到其原因為2010年專利申請數量明顯低于2009年。這種情況的出現有以下的可能：（1）對專利申請的國家和地區進行統計，發現2009年進入中國大陸的專利申請共7份，占2009年專利申請數量總數的17.9%，而2010年其他國家和地區進入中國大陸的專利申請數量為0，2011年同樣為0，說明其他國家和地區出于技術發展或專利戰略等原因，于2010年起逐漸放棄我國的專利市場，使專利申請數量受到影響，而這個原因很可能是由于遇到了產電能力難以大幅度提高的技術瓶頸以及生產成本的控制難以達到實現廣泛應用的目的；（2）微生物燃料電池領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向也部分影響了2010年的專利申請數量。

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，微生物燃料電池產品技術還未進入成熟期，結合對專利信息的理解和兩種分類專利數量對比，應該還處于成長期當中。

五、結論

進入我國最早兩份關于微生物燃料電池的申請（申請號：00809995、00810805）均由韓國科學技術研究院于2000年遞交，之后才出現由我國高校興起的微生物燃料電池專利申請，在經歷模仿、吸收后、開始創新，因此微生物燃料電池產品技術經歷的嬰兒期比較短暫，進入成長期比較迅速。

經過對專利信息的分析，同時結合期刊文獻公開的關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品技術的成熟度預測結果是可信的。在未來的發展中，微生物燃料電池技術將會不斷的成熟，成為污水處理領域的常用技術。

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品和技術進行分析，完成對我國微生物燃料電池產品和技術進行成熟度預測，研究表明：我國微生物燃料電池技術處于成長期階段，有很大的發展空間，研究應著力于局部創新和成本控制，推動微生物燃料電池向更高的產電能力和更好的污染物處理能力發展，并擴展應用領域。

在專利技術發展中，微生物燃料電池的技術改進主要為系統構型的改變、電極材料的改進、交換膜材料的變化及微生物的選用等。