全球燃料電池領域技術網絡結構的演進

大連理工大學公共管理與法學學院暨WISE實驗室 ■ 欒春娟

大連日報社資料室 ■ 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能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池技術涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等多門學科的有關理論[1-2]。作為一種新型的清潔能源，燃料電池具有發電效率高、環境污染少等優點。燃料電池系統的燃料-電能轉換效率在45%～60%[3]，而火力發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、建設周期短、電站功率可根據需要由電池堆組裝、安裝地點靈活、負荷響應快、運行質量高等多方面優點[5-6]。在后危機時代，各國紛紛將燃料電池技術作為新興產業予以扶持發展[7-8]。美國氫燃料電池汽車示范項目研究計劃顯示[9-10]，美國汽車廠商能在2014～2016年間將氫燃料電池汽車推向市場。

中國的燃料電池研究始于1958年，是由原電子工業部天津電源研究所最早開展的“熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)”研究。1970年代，在航天事業的推動下，中國燃料電池的研究出現第一次高潮。到1990年代中期，在科技部與中科院將燃料電池技術列入“九五”科技攻關計劃的推動下，中國進入了燃料電池研究的第二個高潮。總的來說，中國科學工作者在燃料電池基礎研究和單項技術方面取得了一些進展，積累了一定的經驗[11]。但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數量很少，就燃料電池技術的總體水平來看，與發達國家尚有較大差距[12-13]。2010年，在《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》“新能源汽車產業”中強調[14-15]，要開展燃料電池汽車相關前沿技術研發，大力推進高能效、低排放節能汽車發展。

目前國內外對燃料電池技術的研究主要集中于燃料電池技術的成本[16-17]、燃料電池技術的效率[3]、燃料電池技術應用[9]、燃料電池技術的有關政策分析[18]、燃料電池技術的評估[7]、燃料電池技術的發展預測[19]、燃料電池高被引技術特征[13]、燃料電池技術合作網絡[12]等方面。但我們尚未發現對全球燃料電池領域技術網絡結構進行測度的相關研究成果。

本研究擬對從世界專利數據庫下載的全球燃料電池專利數據進行專利計量，繪制不同發展階段的技術網絡，分析網絡結構，以期為我們從宏觀方面把握全球燃料電池不同發展階段的技術網絡結構、規劃我國燃料電池發展的研發活動提供可視化圖譜和決策參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究的專利數據來自于《德溫特創新索引》數據庫(Derwent Innovations Index，縮寫為DII)。依據世界知識產權組織(WIPO)《2012年知識產權指標報告》[20]中對燃料電池專利技術的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)；時間跨度=1968-2012；數據庫= CDerwent, EDerwent, MDerwent。檢索并下載全球1968～2012年153878條專利數據文獻，作為本研究的數據樣本，數據下載日期為2013年4月19日，涉及專利數據為已出版的專利申請，而非授權專利。由于DII收錄的專利數據常與主要國家的專利公開時間存在約8個月的時滯，因此導致2012年的數據不全，而2011年前的數據較全面。如WIPO[20]報告所言，盡管IPC代碼與技術領域之間并沒有非常清晰的一一對應關系，要檢索出某一特定技術領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域專利數據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量年度分布狀況。最高峰出現在2008年度，該年專利申請數量為7817件。我們依據不同年度、不同年度專利申請量和不同年度的德溫特分類代碼(Derwent Class Code，縮寫為DC)數量，運用SPSS軟件進行系統聚類分析(Hierachical Cluster Analysis)[21-22]，將45年的發展期間聚類后劃分為3個階段(圖1)。第一階段為1968～2001年，該階段發展速度較平穩、緩慢；第二階段為2002～2008年，該階段的專利數量快速增長；第三階段為2009～2012年，該階段專利數量呈明顯下降的發展趨勢。本文的燃料電池技術網絡結構演進的分析將分別按照這3個階段進行。

1.2 研究方法

本研究主要采用技術共類分析方法和社會網絡分析方法進行。具體研究方案和操作步驟為：首先，運用大型文獻處理軟件Bibexcel[23]，對每一階段的全球燃料電池專利數據的DC進行分析，得到每一階段專利數據共涉及到的不同DC技術領域；而后，全部選中這些技術領域進行技術共類分析，得到技術共類矩陣后，運用Jaccard系數計算公式[24]，計算得出標準化的技術共類矩陣[25-26]；最后，運用Ucinet軟件包的網絡繪制工具Netdraw，通過不斷調整閾值并將Jaccard系數矩陣轉換為(0,1)矩陣，繪制出清晰的、具有明顯網絡結構的技術網絡；在此基礎上，進一步采用Girvan-Newman[27]算法，探測全球燃料電池領域每一發展階段的技術子網絡結構。

圖1 1968～2012年燃料電池專利數量年度分布

2 分析結果

2.1 第一階段燃料電池技術網絡結構(1968～2001年)

運用上述研究方案與操作步驟，繪制出全球燃料電池領域第一階段清晰的、具有明顯網絡結構特征的技術網絡(圖2)。網絡中的每個節點代表一個技術領域，采用DC的統一標識，即由一個字母和兩位數字組成，比如Q23、J12、E36等，代表德溫特技術大類之下的二級技術子類/小類。目前，德溫特分類代碼之下共有281個這樣的二級技術子類。具體結構為：A代表高分子聚合物與塑料，屬于德溫特技術大類；A1代表添加與天然聚合物，屬于德溫特一級技術子類；A12為高于二烯烴的高分子聚合物，屬于德溫特二級技術子類。

在得到圖2的技術網絡后，我們進一步采用Girvan-Newman算法探測技術子網絡結構。技術子網絡的標簽，比如“測量儀表”，是在全面查看該子網絡中每個節點的技術領域信息后概括出來標注的。其他的子網絡標注，以及圖3和圖4中子網絡的標注方法，也采用相同方法。

圖2顯示，第一階段的技術網絡結構主要包括的技術子網絡為：生物發酵、測量儀表、核發電與運輸-存儲系統、電化學存儲、電器應用和非礦燃料發電系統等。其中，生物發酵子網絡位于相對比較核心的位置，連接著電化學存儲、測量儀表和核發電與運輸-存儲系統幾個技術子網絡；其他子網絡，盡管沒有位于網絡中心地帶，但大多也都連接著幾個不同子網絡。比如測量儀表，連接著生物發酵、電器應用和非礦燃料發電系統3個技術子網絡；電器應用則連接著核發電與運輸-存儲系統、非礦燃料發電系統和測量儀表3個技術子網絡。

2.2 第二階段燃料電池技術網絡結構(2002～2008年）

運用同樣的方法和步驟，繪制出全球燃料電池領域第二階段清晰的、具有明顯網絡結構特征的技術網絡(圖3）。

圖2 第一階段技術網絡結構（閾值=0.06）

圖3 第二階段技術網絡結構（閾值=0.04）

由圖3可知，第二階段的技術網絡結構主要包括的技術子網絡為：較大的技術子網絡主要有電動汽車與電化學存儲、生物發酵、測量儀表、電器應用、非礦燃料發電系統、道路照明；還有一個較小的子網絡包裝與密封。與第一階段相比較，電動汽車相關的技術子網絡形成并且發展為一個較大的技術子網絡，該子網絡位于網絡的中心地帶，連接著生物發酵、非礦燃料發電系統和電器應用3個技術子網絡；形成了道路照明技術子網絡，表明燃料電池技術領域得到進一步擴展和應用；該階段還形成了燃料電池技術相關的包裝與密封技術子網絡。

2.3 第三階段燃料電池技術網絡結構(2009～2012年)

運用同樣的方法和步驟，繪制出燃料電池技術領域第三階段清晰的、具有明顯網絡結構特征的技術網絡(圖4)。

圖4 第三階段技術網絡結構（閾值=0.035）

由圖4可知，第三階段的技術網絡結構主要包括的技術子網絡為：非礦燃料發電系統、電動車輛與電化學存儲是兩個最大的技術子網絡；“核發電和其他動力系統”與“包裝-密封-連接”是兩個較大的技術子網絡；此外，還有兩個相對較小的技術子網絡：汽車電器和電子控制系統。與前兩階段不同的是，電動車輛與電化學存儲技術子網絡持續擴大；形成了汽車電器和電子控制系統連個技術子網絡；包裝-密封相關的技術子網絡得到進一步發展；更為明顯的是，非礦燃料發電系統技術子網絡得到空前的發展壯大，成為第三階段技術網絡中的最大技術子網絡，涵蓋了眾多DC技術領域。

3 結論與討論

3.1 主要結論

本文選取從世界專利數據庫《德溫特創新索引》下載的全球燃料電池專利數據，采用技術共類分析方法和社會網絡分析方法，進行專利計量分析和技術網絡結構探測，得到以下主要結論：

1) SPSS軟件階段劃分結果顯示，全球燃料電池專利技術的發展共包括3個階段：第一階段發展速度比較平穩、緩慢；第二階段快速增長；第三階段呈現明顯下降的發展趨勢。

2) 第一階段的技術網絡結構主要包括的技術子網絡為：生物發酵、測量儀表、核發電與運輸-存儲系統、電化學存儲、電器應用和非礦燃料發電系統等。

3) 第二階段的技術網絡主要包括的技術子網絡為：電動汽車與電化學存儲、生物發酵、測量儀表、電器應用、非礦燃料發電系統、道路照明和包裝與密封。

4) 第三階段的技術網絡主要包括的技術子網絡為：非礦燃料發電系統、電動車輛與電化學存儲、核發電和其他動力系統、包裝-密封-連接、汽車電器和電子控制系統。

在保證網絡結構清晰的狀態下，技術網絡的閾值呈逐漸降低趨勢。

3.2 討論

本研究的創新之處表現在：將技術共類分析方法與社會網絡分析方法相結合，選取新興的全球燃料電池領域，以世界專利數據庫為數據來源，宏觀地分析了全球燃料電池領域技術網絡結構的演進，對我們整體把握該領域的技術發展提供了形象的可視化網絡圖譜。

為什么2009年后全球燃料電池專利數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點，但其發展過程中，尤其是產業化過程中，也遇到了價格和技術等方面的一些瓶頸。這些瓶頸具體包括：燃料電池造價偏高，比如，車用質子交換膜燃料電池(PEMFC)的成本中，質子交換隔膜(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。反應與啟動性能還存在一些問題，據測算，燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎[30]；盡管反應性可借助增加電極活性、提高操作溫度和反應控制參數等來達到，但是，提高穩定性則必須避免副反應的發生，反應性與穩定性常常難以同時兼顧[31]。碳氫燃料無法直接被利用[32-33]，除甲醇外，其他的碳氫化合物燃料都需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣后，方可供現今的燃料電池利用，而這些設備無疑在一定程度上增加了燃料電池系統的投資額。氫氣儲存技術目前尚不理想，由于燃料電池電動汽車的氫燃料是以壓縮氫氣為主，因此車體的載運量受到限制，每次充填量僅有約2.5～3.5kg，這些能量還不能滿足現今汽車單程跑480～650km的能源供給[34-35]。另外，氫燃料基礎建設不足也是一個重要的瓶頸問題。雖然氫氣在工業界已使用多年并且具有經濟規模，但全世界的充氫站只有約70個[36-37]，且加氣時間較長，遠不能滿足快速運轉的社會需要。由于以上限制，導致2009年以后燃料電池領域的研發主體數量明顯下降：2008年全球共有3805個專利申請人，2009年減少為3153個，2010年減少為2511個，2011年為2038個，專利申請人數量的銳減，也是全球燃料電池專利數量減少的一個重要原因。

全球燃料電池3個階段技術網絡結構的演進分析，一方面揭示出燃料電池技術正逐步走向實踐應用領域，比如電動汽車、道路照明等；另一方面揭示出雖然燃料電池用途廣泛，既可應用于軍事、空間、發電廠領域，也可應用于機動車、移動設備、居民家庭等領域，但隨著時代的發展，電動汽車領域越來越成為燃料電池應用的主要方向，市場已有多種采用燃料電池發電的電動車出現。燃料電池汽車將首先出現在環保法規比較嚴格、經濟發達、人口密集的國家和地區，即主要是美國、日本和西歐。比如，美國的加利福尼亞州、康涅狄格州、佛羅里達州、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，電動汽車必將在其國內得到廣泛應用。西歐、中歐和北歐的一些大城市，也將是電動汽車普及的重要城市。經過更長遠一段時期，比如25年左右，燃料電池汽車也會在中國的一些特大城市、東南亞、東歐地區等普及[40-41]。總之，電動汽車及其相關技術將是燃料電池的重要應用和發展領域。

3個階段技術網絡閾值逐漸降低的趨勢，再一次驗證了技術發散與收斂的發展規律[42]。一方面，伴隨一個技術領域的發展，支撐和應用該項技術的其他關聯技術不斷擴展，技術關聯度呈現出技術跨領域、跨類型的發散性演變態勢；另一方面，隨著一個技術領域的不斷發展，該技術領域的技術收斂性趨勢日益明顯，關聯的共性技術相對愈加集中。新興技術領域正是在與這樣兩種趨勢共發展、相互作用、互為因果、連鎖進步中不斷取得變革和創新發展。

[1] Burlatsky S F, Gummalla M, O'Neill J, et al. A mathematical model for predicting the life of polymer electrolyte fuel cell membranes subjected to hydration cycling[J]. Journal of Power Sources, 2012, 215: 135-144.

[2] Zhu X, Sui P C, Djilali N, et al. Dynamics of emerging water droplet subjected to sidewall with different wettabilities in a fuel cell cathode channel[J]. Fuel Cells, 2011, 11(3): 404-412.

[3] Peng H C, Wang C N, Yeh T K, et al. A high eff cient microproton exchange membrane fuel cell by integrating micro-nano synergical structures[J]. Journal of Power Sources, 2013, 225: 277-285.

[4] Bizon N. Energy eff ciency for the multiport power converters architectures of series and parallel hybrid power source type used in plug-in/V2G fuel cell vehicles[J]. Applied Energy, 2013, 102: 726-734.

[5] Muthuswamy N, de la Fuente J L G, Ochal P, et al. Towards a highly-eff cient fuel-cell catalyst: Optimization of Pt particle size, supports and surface-oxygen group concentration[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15(11): 3803-3813.

[6] Campanari S, Gazzani M, Romano M C. Analysis of direct carbon fuel cell based coal f red power cycles with CO2capture[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power-Transactions of the Asme, 2013, 135(1): 9.

[7] Haslam G E, Jupesta J, Parayil G. Assessing fuel cell vehicle innovation and the role of policy in Japan, Korea, and China[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(19): 14612-14623.

[8] Ohki Y. Development of an advanced solid oxide fuel cell in Japan[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2011, 27(4): 55-57.

[9] Miyatake K, Furuya H, Tanaka M, et al. Durability of sulfonated polyimide membrane in humidity cycling for fuel cell applications[J]. Journal of Power Sources, 2012, 204: 74-78.

[10] Dincer I, Rosen M A. Sustainability aspects of hydrogen and fuel cell systems[J]. Energy for Sustainable Development, 2011, 15(2): 137-146.

[11] Dixon R K, Wang X, Wang M Q, et al. Development and demonstration of fuel cell vehicles and supporting infrastructure in China[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2011, 16(7): 775-789.

[12] 劉鳳朝, 姜濱濱. 中國區域科研合作網絡結構對績效作用效果分析——以燃料電池領域為例[J]. 科學學與科學技術管理, 2012, (01): 109-115.

[13] 陳傲, 柳卸林, 高廣宇. 新興產業高被引專利的形成特征——以燃料電池為例[J]. 科研管理, 2012, (11): 9-15, 23.

[14] 國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定[EB/ OL]. http://www.gov.cn/zwgk/2010-10/18/content_1724848.htm. 2013-05-16.

[15] Li M, Wang C, Liu Z X,et al. The development and performance analysis of all-China-made PEM fuel cell unit and 1kW level fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(1): 1106-1111.

[16] Staffell I, Green R. The cost of domestic fuel cell micro-CHP systems[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(2): 1088-1102.

[17] Konrad K, Markard J, Ruef A,et al. Strategic responses to fuel cell hype and disappointment[J]. Technological Forecasting and Social Change, 2012, 79(6): 1084-1098.

[18] Kang M J, Park H. Impact of experience on government policy toward acceptance of hydrogen fuel cell vehicles in Korea[J]. Energy Policy, 2011, 39(6): 3465-3475.

[19] Park S Y, Kim J W, Lee DH. Development of a market penetration forecasting model for hydrogen fuel cell vehicles considering infrastructure and cost reduction effects[J]. Energy Policy, 2011, 39(6): 3307-3315.

[20] World Intellectual Property Indicators - 2012Edition [EB/ OL]. http://www.wipo.int/ipstats/en/wipi/index. html. 2013-05-16.

[21] 李慶峰, 肖成. 我國期貨市場發展特征與階段劃分的時間聚類研究[J]. 宏觀經濟研究, 2010, (7): 30-34,48.

[22] 楊維忠, 張甜. SPSS統計分析與行業應用案例詳解[M].北京: 清華大學出版社, 2011.

[23] Bibexcel [EB/OL]. http://www8.umu.se/inforsk/Bibexcel/. 2013-05-16.

[24] Leydesdorff L. On the normalization and visualization of author co-citation data: Salton's cosine versus the Jaccard index[J]. Journal of the American Society for Information Science and Technology, 2008, 59(1): 77-85.

[25] 欒春娟. 戰略性新興產業共性技術測度指標實證研究[J].中國科技論壇, 2012, (06): 73-77.

[26] 欒春娟. 專利計量與專利戰略[M]. 大連: 大連理工大學出版社, 2012.

[27] Girvan M, Newman M E J. Community structure in social and biological networks[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99(12): 7821-7826.

[28] Iulianelli A, Basile A. Sulfonated PEEK-based polymers in PEMFC and DMFC applications: A review[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(20): 15241-15255.

[29] Luo H Z, Vaivars G, Mathe M,et al. Proton conducting membrane prepared by cross-linking highly sulfonated peek for pemfc application [R]. New York, Amer Soc Mechanical Engineers, 2009.

[30] Chen S H, Wang J Q, Xia X L, et al. Preparation and electrochemical behaviour of a titanium-based lead dioxide cathode used in the microbial fuel cell[J]. Asian Journal of Chemistry, 2012, 24(9): 3997-4001.

[31] Jiang W, Fang RX, Khan J, et al. Control strategies for startup and part-load operation of solid oxide fuel cell/Gas turbine Hybrid System[J]. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2010, 7(1): 011016-1-011016-9.

[32] Al-Othman A, Tremblay A Y, Pell W, et al. A modif ed silicic acid (Si) and sulphuric acid (S)-ZrP/PTFE/glycerol composite membrane for high temperature direct hydrocarbon fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2013, 224: 158-167.

[33] Al-Othman A, Tremblay A Y , Pell W, et al. The effect of glycerol on the conductivity of Naf on-free ZrP/PTFE composite membrane electrolytes for direct hydrocarbon fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2012, 199: 14-21.

[34] Baufume S, Gruger F, Grube T, et al. GIS-based scenario calculations for a nationwide German hydrogen pipeline infrastructure[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(10): 3813-3829.

[35] Luo W, Campbell P G, Zakharov L N, et al. A singlecomponent liquid-phase hydrogen storage material[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(48): 19326-19329.

[36] Valdes R, Lucio J H, Rodriguez L R. Operational simulation of wind power plants for electrolytic hydrogen production connected to a distributed electricity generation grid[J]. Renewable Energy, 2013, 53: 249-257.

[37] Niknam T, Golestaneh F, Malekpour A R. Probabilistic model of polymer exchange fuel cell power plants for hydrogen, thermal and electrical energy management[J]. Journal of Power Sources,2013, 229: 285-298.

[38] Karplus V J, Paltsev S. Proposed vehicle fuel economy standards in the united states for 2017to 2025impacts on the economy, Energy, and greenhouse gas emissions[J]. Transportation Research Record, 2012, (2287): 132-139.

[39] Karplus V J, Paltsev S, Babiker M, et al. Should a vehicle fuel economy standard be combined with an economy-wide greenhouse gas emissions constraint? Implications for energy and climate policy in the United States[J]. Energy Economics, 2013, 36: 322-333.

[40] Wang L, Chen M. Policies and perspective on end-of-life vehicles in China[J]. Journal of Cleaner Production, 2013, 44: 168-176.

[41] Huo H, Zhang Q, Liu F et al. Climate and environmental effects of electric vehicles versus compressed natural gas vehicles in China: A life-cycle analysis at provincial level[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(3): 1711-1718.

[42] 欒春娟, 劉則淵, 王賢文.發散與收斂：技術關聯度的演變趨勢分析——以全球太陽能技術的專利計量為例[J]. 研究與發展管理, 2013,（03）: 126-135.