基于同族专利引文网络的燃料电池技术主路径研究*

孙明汉 朱秀珠

(1. 南京理工大学知识产权学院 南京 210094； 2.南京大学信息管理学院 南京 210023)

0 引 言

作为继水力、火力和核能之后的第四代发电技术，燃料电池是一种能够连续地将燃料的化学能直接转化为电能的化学电源装置。它在实现能量转化的过程中无需热机的燃烧过程和传动设备，其效率不受卡诺循环的限制，故能量转换效率最高可达83%，为内燃机的2～3倍。另外，燃料电池还有以下优点：几乎不排放硫氧化物与氮氧化物，对环境污染小；使用燃料电池可大幅度减少二氧化碳的排放，从而减轻温室效应；燃料电池故损耗小，寿命长。燃料电池集能源、化工、自动化控制等高新技术于一体，被称为21世纪的新能源技术[1, 2]，被列在21世纪改变人类生活的十大实用技术的第六位。

为帮助相关研究人员和创新主体更好地掌握燃料电池技术演化路径及发展趋势，本研究试图通过构建同族专利引文网络，运用改进的主路径SPC算法对燃料电池领域专利进行遍历计算，识别影响燃料电池技术发展的重要专利节点，并经过人工阅读这些专利的内容，梳理出燃料电池领域的技术演进路径，进而在此基础上，对燃料电池领域两大重要分支的技术发展趋势进行了分析与预测。

1 相关研究

1.1 技术演化理论与主路径

在技术发展中，新技术发明的出现是对先前技术发明中知识的传递与革新，分析特定领域的技术演化(technological evolution)过程，可以为技术创新、产业发展和政策制定提供可靠的信息支撑，因此越来越得到众多学者的关注。技术范式(technology paradigm)和技术轨道(technology trajectories)都是研究技术演化的重要方法[3]。技术范式是指伴随着某一领域技术创新的突破，所形成的解决一定技术问题的模型和模式。技术轨道又称为技术轨迹，是技术创新经济学家Dosi在1982年提出的。Dosi认为如果某一技术范式长期的占据该领域技术创新方向的支配位置，那么该技术范式就会形成一条技术轨道。当某一技术轨道强度非常高时，该轨道就会逐渐成为主导并占据有利位置，成为技术发展的主流，相应的其他技术轨道的影响力就会被削弱，因此该技术领域的发展方向就很难从该轨道发展到另一轨道。

主路径分析方法(Main Path analysis, MPA)是目前最有吸引力的识别技术轨道的方法之一，该方法从纯粹技术发展的角度探寻对技术变化起到关键作用的专利。基于引文网络的主路径分析(Main Path analysis, MPA)是指通过识别在技术发展过程中有重要影响力的专利节点，并分析这些节点之间的相互联系，发现技术创新过程中内在技术演进轨迹、规律和机理的过程[4]。主路径分析方法是在实践中主要分为两种引文网络分析，一个是用于科学论文，另一个是专利引用网络。值得注意的是，主路径算法首先将循环网络转换为非循环对应网络，才能进行路径遍历。Jiang等根据循环网络中的五种情况，提出了适用于循环网络的主路径算法[5]。文献引证网络的主要路径分析方法可以更好地了解科学研究的进展，有很多学者采用该方法对不同领域的技术发展路径展开研究，如技术吸收能力，富勒烯和碳纳米管，资源基础理论，Hirsch指数，数据包络分析，燃料电池[6]和数据质量[7]等。专利文献是技术创新的记录和载体，专利引文网络可以展现技术发明之间知识的转移与革新，因此可以利用专利引文网络来发现技术演进过程[8]。不同于文献引文网络，专利因为存在地域性，所以Liu等建议将专利归为一个“族”以消除引用网络中循环，并且建议SPLC是遍历权重，比其他遍历权重更适合知识扩散模型[9]。Fontana等使用专利引文网络对以太网技术数据标准的技术演化轨道进行了识别与可视化的研究[10]。Huang 等通过构建同族专利引文网络追踪3D打印技术的演化路径[11]。Kim和Shin使用聚类和主路径分析方法以识别高压直流输电技术的主路径和分支路径的技术轨迹演化[12]。国内也有很多学者采用专利引文网络的主路径方法对特定技术领域展开研究，如太阳能光伏电池板技术[13]，激光显示器技术[14]，半导体制造技术[15]，全息摄影技术[16]，3D打印技术[17]，稀土中游产业技术[18]，手机芯片技术[19]等。

1.2 专利信息在燃料电池领域的应用

目前，从专利视角对燃料电池技术发展做了评述。国内已经有多位学者从专利角度对燃料电池相关技术展开分析，多为通过统计来对该技术的整体竞争情报予以呈现，包括燃料电池整体技术和某一特定子技术[20-24]，对技术或企业间的竞争态势评价总是停留在数量上。也有学者以燃料电池为例，对高被引专利技术的形成特征予以考察[25]。黄鲁成等运用专利数据对燃料电池技术生命周期展开分析，这是国内首次从技术演化角度对燃料电池的展开的分析，2019年有文章从专利印证的角度论证了本地知识基础对中国燃料电池技术创新的影响[26]。陈稳等发现燃料电池技术前沿主题发展中，科学研究与技术研究互相推进，呈现双螺旋式发展[27]。

早在2005年，Verspagen与Bart[28]就运用了Hummon和Doreian(1989)提出的用于分析DNA引文网络的方法，对燃料电池领域的专利网络进行分析，并提出采用专利网络实现燃料电池的可视化的研究有十分好的应用前景。此后又有多位学者在Verspagen的基础上继续运用专利引文网络对燃料电池进行探索，如许琦等以燃料电池领域为例，通过专利引文网络展开产业化评价方法研究[29]。杨武等基于TML模型对各国燃料电池产业的竞争优势进行了识别[30]。张丰等还通过专利引文网络对燃料电池及其关键技术的发展主路径进行了呈现，但其检索式过于简单和草率，难以保证数据的准确性。Jonathan[6]等还通过论文引文网络及SPC算法对燃料电池的技术壁垒和研究趋势做了分析和预测，该论文不仅很好地运用了主路径方法，还结合技术内容对主路径予以解释。。

综合来看，目前燃料电池领域内的专利分析主要存在以下不足：a.专利数据收集的准确性不足；b.对技术演进的分析和预测多直接使用SPC算法，但目前这种算法更倾向于早期申请的专利，因此识别出的主路径无法很好地对未来技术发展趋势进行预测；c. Verspagen曾指出，对主路径的分析不能只停留在表面，还需结合具体的技术内容进行深度解析。因此，本文将在博采众长的基础上，尝试对以上不足予以改进。

2 研究过程及方法

2.1 构建同族专利引用网络

本文选择了专利家族作为数据单元进行分析，考虑到专利家族中每个专利的申请时间并不一致，这可能会导致构建引文网络时出现循环遍历，因此，本文对同组专利的引用进行了合并，并根据最早优先权时间对专利家族进行了编号，专利编号越小表示该专利越早，确保在专利同族引文网络中都是由较小序号指向较大的序号[31]。在上述分析过程中，使用Excel VBA语言对专利引文信息进行提取、替换和删除重复引用，利用Pajek软件构建专利族引文网络。在燃料电池的136 437个专利家族中，去重后提取了803 660条引用信息，将引文信息同族合并后获得274 925条同族专利引文信息，共有81 272个专利家族处于引用网络中。

2.2 SPC算法及其改进

SPC(Search Path Counts)算法是Batageli在SPLC、SPNP和NPPC三种边的遍历权重算法基础上提出的更为抽象和综合的边的搜寻路径权重算法。在引文网络中，任意一个从节点u指向节点v的连接即表示文献u被v引用，SPC表示从网络中的起点s(Source)到终点t(Sink)的路径通过u→v边的次数。我们将经过u→v这条边之前的路径(即s→u)数量用N-(u)来表示，将u→v之后的路径(即v→t)数量用N+(v)表示。当s=u时，N-(u)=1；当v=t时，N+(v)=1。

因此有：

N(u,v)=N-(u)×N+(v)u

(1)

由于SPC算法计算的是网络中连接的值(即边值)，节点的权值还需借助SPC算法来计算网络中的节点值。在传统的计算方式中，点u的节点值N(u)表示为点u所引用连线的边值和NIn(u)，或所有引用点u的连线的边值和NOut(u)。

但是现有的SPC算法存在一定滞后性，引用网络中靠后的专利节点值普遍较低，而由于马太效应的存在，早期申请的专利节点值又可能会过高，因此筛选出的核心专利多为较早期专利，从而导致在核心专利筛选过程中埋没近几年新兴的专利。为应对这种现象，本研究在SPC算法中引入了时间维度，对其进行了改进，以弱化马太效应的影响，使高权值的节点在专利编号上分布更为均匀，以实现识别各个时期内的核心专利的目的。具体操作为

令Yc为当前的年份(本研究中为2021)，Y(v)为专利v的最早优先权年，则Yc-Y(v)为专利v的年龄。改进后的网络边值N'(u,v)表示为

(2)

此时，u点左右两个边的边值不再相等，因此令u的节点值N'(u)为

(3)

考虑到本研究中专利数据较为庞大，故而节点或连接的遍历权值也较大，为方便展示，本文选择了依据流量(flow)对燃料电池专利引文网络中边的遍历权值权进行了归一化的方法，具体是指某连线或顶点的值除以从起点s到终点t之间的总路径数(流量)。这种归一化得到的是，在起点和终点之间的所有路径中，含某个顶点或某条连线的路径所占的百分比。

3 结果与讨论

3.1 燃料电池技术的主路径分析

将1959至2018年的燃料电池专利引文数据导入Pajek软件中，运用改进后的SPC算法计算专利引文网络中每个节点的值，删除次要节点后，得到基于改进后SPC算法的主路径。为了更好地体现专利技术的演进过程，本文给识别出的燃料电池技术扩散主路径加上时间轴，并对专利节点的申请时间区间加以标注，最终得到结合时间序列的燃料电池专利的技术扩散主路径(图1)。

由图1的燃料电池技术发展主路径可以看出，技术主路径的发展大致可分为三个时期，与专利数量的发展在大体上是相一致的，随着专利数量的不断增多，有影响力的专利也随之增多。编号354- 1993号之间的专利为燃料电池早期的基础专利，之后所有的技术都是在这些基础上继续发展的。1993是一个重要的节点，在此之后的专利逐渐开始生出不同的发展方向。1981年至1995年间，技术的发展还较为简单、明晰，1995年至2005年间，技术发展较为杂乱，各路径重新汇合、又再次分开，分分合合似乎看不清发展方向。2005年，有一个非常重要的节点终结了这种现象，燃料电池技术发展又重新清晰了起来，这个节点就是编号为40925的专利，它结束了之前技术发展的混乱，又重新开启了新的篇章，后续又有许许多多的技术在此技术的基础上继续发展，并逐渐形成不同的路径、不同的方向。另外值得一提的是，专利16120也较为重要，在混乱中独辟蹊径，开启了自己的一条路，这条路径上之后的专利均以此技术为基础。2005年至2020年，燃料电池技术蓬勃发展，形成遍地开花的局面。

图1 基于改进SPC算法的燃料电池专利主路径

为深入剖析燃料电池技术发展轨迹，本研究对出现在主路径上的153个专利家族逐一进行了阅读和概括，并发现：

a.燃料电池专利在发展过程中，始终以固体电解质燃料电池和质子交换膜燃料电池为主，其他类型燃料电池专利数量始终较少。

b.燃料电池专利的技术包括：系统、密封件、连接件、催化剂、电解质、阳极、阴极、双极板等。其中涉及燃料电池系统及控制的专利最多；其次为关于电极的专利，主要以阳极为主，关注阴极的专利较少。解决系统控制问题和电极问题的专利构成了燃料电池专利的主要内容，并且贯穿燃料电池发展的始终，说明电极和系统一直是燃料电池的主要技术难点。其他技术关注则相对较少。

c.这些专利的功效包括：容错性高、降低成本、减小体积及重量、提高能量密度、提高效率、提高性能、温度控制、稳定性与可靠性、致密性好、延长使用寿命等。其中出现最多的是提高电池性能或效率以及降低成本，其次是稳定性，再次是延长使用寿命，另外密封性也出现了多次。因此，提高燃料电池的性能和效率一直是燃料电池的重点关注问题。

d.编号为1993的专利是美国政府及其能源部申请关于燃料电池内部通道优化的专利，以方便燃料和氧化剂的输送，是燃料电池领域的重要基础专利。编号为16120的节点是巴拉德动力公司申请的专利，该专利设计了一种自动燃料控制系统，包括燃料的处理、传送和控制，在主路径中也相对比较重要。编号40925的专利是丹麦技术大学的研发成果，其主要内容是通过改进电极材料和金属支撑层生产工艺以提升可逆固体氧化物燃料电池的使用寿命，是燃料电池中主路径中最为关键的一个节点。

3.2 燃料电池技术的发展态势分析

近年来固体氧化物(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)和质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)来越来越受到人们的关注，二者在燃料电池发展中一直占了举足轻重的地位。所以本节针对二者在专利申请数量和在燃料电池引文网络中的技术影响力进行对比及分析。SOFC和PEMFC在德温特手工代码中统一被归类为固体氧化物和固体聚合物燃料电池(L03-E04及X16-C)。其中，L03-E04A1和X16-C01A则代表SOFC相关专利，而L03-E04A2和X16-C01C则代表PEMFC相关专利。其中对技术影响力进行定量测量的方法如下：如前文所述，本文通过改进主路径算法对燃料电池专利引文网络的节点进行遍历，获得了代表每个专利节点在引文网络中影响力大小的节点值，因而对某一技术领域所包含的所有专利的节点值进行累加求和就可以得到该技术领域在整个网络中的技术影响力的值。

综合图2和图3可以发现，与二者相关的同族专利数量达到了31 436件，在燃料电池总的专利家族数量的23.04%。但二者所包括的专利节点的技术影响力共达到了0.5784，占燃料电池技术总的技术影响力1.3255的43.636%。这说明固体电解质燃料电池与质子交换膜燃料电池一直是燃料电池技术研发的重点，且技术影响力远高于其他专利，处于燃料电池技术创新的前沿，是燃料电池技术发展的主导方向。

图2 SOFC与PEMFC专利申请趋势

图3 SOFC与PEMFC技术影响力趋势

如图2所示,虽然质子交换膜燃料电池技术的同族专利数量达到了22 239件，是固体氧化物燃料电池技术的同族专利数量10257件的两倍还多，但是该技术的专利申请量在2006年到达顶峰1 821件后，便处于快速下降的状态中：2010年有1093件，2014年有692件，2018年有785件，可以认为质子交换膜燃料电池的发展已经进入到了成熟期，专利数量即将饱和。相反，固体氧化物燃料电池虽然增长趋势没有那么迅猛，但是其专利数量在近十五年来一直保持平稳增长：2006年有465件，2010年有619年，2014年有538件，2018年有517件，保持着持续创新的态势，因此固体氧化物燃料电池技术仍处于发展期。

如图3所示，质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池技术分别在2004至2005年间，出现了关键性技术的突破，达到了技术影响力的峰值。但不同的是，在固体氧化物燃料电池在技术突破后的十几年间，仍然保持着非常不错的创新趋势，并将质子交换膜燃料电池远远甩在了后面，而质子交换膜燃料电池则还是维持之前的技术影响力。对二者每年的技术影响力求和发现，固体氧化物燃料电池的技术影响力高达0.4584，而质子交换膜燃料电池的技术影响力仅有0.1411，前者的专利平均影响力是后者的平均影响力的3.24倍。固体氧化物燃料电池仍处于技术发展期，技术更有创造性也更加有影响力，而质子交换膜燃料电池技术相对单一，从专利数量来说也开始进入技术成熟期。因此本研究有理由认为，相比于质子交换膜燃料电池，固体氧化物燃料电池在未来更有发展前景。

4 结论与建议

本文从专利数据出发，以燃料电池技术作为研究对象，将理论和实践相结合，通过对主路径算法进行改进，以更加精确地识别燃料电池的技术创新的发展趋势，从而创新主体提供决策依据，为研发人员的提供导航建议。

在关键专利的技术和功效上，系统控制问题和电极问题的设计与优化构成了燃料电池专利的主要内容，并且贯穿燃料电池发展的始终；提高燃料电池的性能和效率以及降低成本一直是燃料电池的重点目标：出现最多的功效词是提高电池性能或效率，其次是降低成本，再次是延长使用寿命，另外密封性也出现了多次，也是燃料电池中关注的一大技术重点，相关创新主体应继续在这方面下功夫，加速我国燃料电池技术的实践应用。

在技术领域上，燃料电池专利主要集中在固体燃料电池和质子交换膜燃料电池上。在这二者中，而质子交换膜燃料电池技术影响力较低，从专利申请趋势来说也开始进入技术成熟期；而固体氧化物燃料电池仍处于技术发展期，技术质量更高也更加有影响力，在未来会更有发展潜力和发展前景。目前我国在固体氧化物燃料电池领域的创新主体也相对较多，我国应发挥好这一优势，加大对它们在固体氧化物燃料电池技术研发上的基金支持，鼓励它们继续在固体氧化物燃料电池领域继续深度钻研，强化理论研究，加强工艺实现，以期在氢能源实践应用中抢占先机。