基于IPatent的台湾地区燃料电池专利竞争态势分析

李万辉 钱莉萍 陈 忆

福建省科学技术信息研究所，福建 福州 350002

1 研究背景

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置[1]。它的种类有很多，而且分类方式也各不相同，目前按电解质不同来分类是比较常见的分类方式，即分为碱性、甲醇、磷酸、质子交换膜、熔融碳酸盐以及固体氧化物燃料电池等六大技术方向[2]。燃料电池作为一种清洁能源，与其他常规化学电源相比，其能量密度是锂电池的10倍，具有污染小、补充方便、可靠性高和能量转化效率高等优点。燃料电池近年来逐渐成为研究热点，日本、美国、英国、德国以及中国台湾等在燃料电池研究领域投入了大量的研究以及政策资金支持，全球有上千家企业和机构投入巨额资金进行燃料电池的研究和商业化工作[3]。近些年，台湾地区燃料电池[4]也得到了快速发展，有关资料显示，到2020年台湾地区燃料电池产业可能有接近新台币千亿元的潜力，国际市场占有率将达5%,台湾地区燃料电池（氢能、燃料电池产品技术与产业规模）在国际上占据重要地位。

对于燃料电池专利相关的研究，中科院文献情报中心的谢华玲等人利用Thomson Data Analyzer、Origin等工具，从专利计量的角度，分析了全球燃料电池汽车专利研发历程及态势[5]。中国科学技术信息研究所的张海超等人从专利数据角度聚焦电动汽车行业,对燃料电池领域的总体发展态势、主要研发机构、技术生命周期、关键分支技术和技术功效等方面进行分析[6]。山东理工大学的吴红等人运用对比分析法,从时间序列趋势、研发领域、创新质量以及同族专利等多个维度,对SIPO公布的燃料电池领域发明专利进行了对比分析[7]。北京市科学技术情报研究所的侯元元等人也从专利视角，梳理了我国燃料电池近几年的发展状况。虽然对燃料电池的研究文献比较多，但对台湾地区燃料电池研究现状与趋势进行系统分析的文献较少[8]。

本文以台湾地区燃料电池的专利文献为研究对象，利用IPatent软件对专利数据进行处理，从专利总体发展趋势、专利区域分布、专利企业竞争力、专利竞争者关联关系、主要技术领域分布以及IPC共现分析等方面开展竞争态势分析研究，以期对我国燃料电池发展产生一定的借鉴意义。

2 专利数据处理工具及分析与处理流程

2.1 专利数据处理工具

本研究主要用自主研发的专利数据处理软件IPatent来完成分析处理，IPatent是基于C#技术开发的专利数据分析平台，具有界面简洁、操作简单、处理数据速度快的特点，具体功能如下。

（1）能够对Excel数据或文本数据进行归一化处理，进而完成对原始数据的各数据项的抽取处理，如图1所示。

图1 专利数据抽取Excel指定字段

（2）能够选定某特定数据项目的词频统计,并生成相应的cit格式文件，以及进行数据去重处理（包括行内重复数据以及多行重复数据的处理）。

（3）能够生成数据趋势数据并自动绘图，如图2所示。

图2 生成数据趋势数据并自动绘图

（4）能够按特定时间段对数据进行划片处理，即可以完成生命周期图数据区间处理，如图3所示。

图3 生成生命周期图

（5）在词频统计基础上，能够生成共现数据，进而实现专利IPC关联分析以及专利权人合作图谱分析，如图3所示。

图3 生成共现数据VNA文件

2.2 专利数据分析与处理流程

为了把握和分析当前台湾地区燃料电池发展及趋势，本文以台湾地区Webpat专利数据库为数据来源，以2018年12月31日为截止日期,并以主题词为检索条件，最终确定检索式为：(TTL：(燃料电池) OR TTL：(Fuel Cells Technology) AND PD：[*TO 2018-12-31])，共检索得到与燃料电池相关的1891条专利数据，其中发明专利1647条，实用新型专利235条，外观设计专利9条。对专利数据进行清洗处理，剔除掉数据项缺少和格式不统一的专利数据，最终得到有效发明专利数据1623条。图4详细描绘了台湾地区燃料电池专利数据分析与处理流程。

图4 台湾地区燃料电池专利数据分析与处理流程

3 台湾地区燃料电池专利数据态势分析

本部分主要用文献计量方法对台湾地区燃料电池专利数据进行态势分析，从宏观角度对台湾地区燃料电池技术进行整体了解与认识。

3.1 创新创业教育的起源

从台湾地区燃料电池申请数量年度分布（图5）来看，燃料电池专利技术的发展可分为4个阶段：第1阶段（1971—1996年）是台湾地区燃料电池技术的孕育期，该阶段专利申请数量比较少，每年不超过3件，且专利增长速度比较缓慢，专利申请主力为财团法人工业技术研究院（3件）、美国燃料电池股份有限公司（2件）、联合工艺公司（2件）。第2阶段（1997—2003年）是台湾地区燃料电池技术的发展期，该阶段专利申请数量明显增多，2002年后大幅增长达到45件，专利申请主力为亚太燃料电池科技股份有限公司（该公司一直致力于质子交换膜燃料电池和燃料电池轻型车低压储氢系统领域研发）、新力股份有限公司、财团法人工业技术研究院以及摩托罗拉公司与本田技研工业股份有限公司。第3阶段（2003—2011年）是台湾地区燃料电池技术的调整发展时期，专利申请数量飞速增长，到2007年达到峰值205件，其中以日本公司的专利申请数量增长速度最快，该时期作为专利申请主力的日本公司是东芝股份有限公司（79件）、新日本石油股份有限公司（27件）、日本电气股份有限公司（24件）。第四阶段（2012—2017年）是台湾地区燃料电池技术的瓶颈期，专利权人数量和专利申请数量开始显著下降，2017年专利申请数量仅有23件，因为专利从申请到公开通常存在18个月的期限,故2018年的专利申请数据还不完整，仅作参考。

图5 台湾地区燃料电池申请数量年度分布

利用IPatent软件抽取生成“台湾地区燃料电池专利数据—生命周期数据.lcd”文件并绘制台湾地区燃料电池技术生命周期图，如图6所示。图中，专利权人数量为横轴，专利申请数量为纵轴，图6可以清晰明了地展现台湾地区燃料电池的发展各个阶段。我们可以看到，自2001年开始进入成长期，专利申请数量和专利权人数量开始明显增长，尤其在2004年后高速增长；2007年达到峰值，专利申请量高达205件，而之后台湾地区燃料电池进入成熟期，专利权人数量和专利申请数量开始回落。

图6 台湾地区燃料电池技术生命周期图

3.2 专利区域分布

从图7可以看出，中国台湾专利申请共724件，其中大部分是中国台湾的企业、科研院所，占总量的44.61%，这说明中国台湾十分重视燃料电池专利的研发与保护，占据了绝对优势，紧随其后的日本（485件）、美国（296件）是中国台湾燃料电池专利的主要申请国家，占该领域专利申请数量总量的92.7%，这说明上述地区和国家在燃料电池领域占据了绝对领先优势。其中日本是最早在中国台湾燃料电池领域申请专利的国家，早在1970年3月20日，由日本新力股份有限公司的马场英夫在中国台湾申请了第一条有关燃料电池的专利，从2000年开始，日本专利申请量一直保持稳定，申请量达到顶峰的时期是在2006—2008年期间，专利平均申请量达到60件，共有104个公司或机构在中国台湾申请了专利，其中研发主力为东芝股份有限公司(89件，占比16.6%)、东丽股份有限公司（40件，占比7.46%）、山叶发动机股份有限公司（35件，占比6.52%）。美国在该领域起步要晚于日本，1986年7月24日，才由美国燃料电池股份有限公司的包以德等人在中国台湾申请了IPC为H01M008/02的第一条专利，2001年之后，专利申请量稳定增长，在2003年达到最大量47件，共有96个美国机构在中国台湾该领域申请了专利，其研发主力是惠普研发公司（38件，占比12%）、博隆能源股份有限公司（33件，占比10.44）、伊达科技公司（24件，占比7.59%）以及亚太燃料电池科技股份有限公司（23件，占比7.27%）。而中国大陆只申请了37件（未包括香港、澳门和台湾），其研发主力为鸿海精密工业股份有限公司与中兴电工机械股份有限公司，表明在该领域我国申请人所拥有专利申请量与日本、美国、英国、加拿大4国还存在较大差距。

图7 燃料电池区域分布

3.3 专利企业竞争力分析

对专利申请人的来源数据进行抽取统计，图8是各个国家和地区有关燃料电池技术的专利申请量≥8件的企业数量（含机构、大学）。从图中我们可以看出，中国台湾以22家企业（大学或研究机构）高居榜首，专利总量为571件，占统计总量的50.7%，其主力单位是财团法人工业技术研究院（85件）、胜光科技股份有限公司（67件）、智慧能源有限公司（55件）以及“原子能委员会核能研究所”（52件）等；日本企业在专利申请量上稍逊于中国台湾，专利均值达到22，而紧随其后的是美国，专利均值为19，可以看出，日本与美国十分重视中国台湾燃料电池市场，他们的企业申请了大量的专利，日本的东芝股份有限公司和东丽股份有限公司专利申请量分别高达89件与40件，而美国的惠普研发公司和博隆能源股份有限公司专利申请量也有38件和34件，这些专利不仅仅是外观设计类型，还包括大量的核心发明专利，逐渐形成较为完善的专利保护网络。而中国大陆和英国只有一家企业上榜，未来仍然需要加强对燃料电池市场的重视。

3.4 专利竞争者关联分析

发明专利是各行业技术创新的集中体现，专利发明人的合作情况在一定程度上反映了行业的技术发展状况和技术扩散程度。用社会网络分析等方法对这些发明人的合作情况进行可视化分析，以便能够进一步反映主要台湾地区燃料电池技术发明人之间的合作情况[9]。专利发明人也是专利竞争者，他们之间虽然存在竞争关系，但合作现象更加普遍，表明在某些领域技术研发存在相似性，也反映出竞争者之间有着某种关联性。对于这种竞争者关联性，国内学者多数采用合作网络分析法来分析专利权人的合作关系。本文利用IPatent软件对专利发明人有合作关系的专利数据进行抽取并统计频次，并同时生成“台湾地区燃料电池专利数据＿抽取＿共现.vna”文件。图9是利用社会网络分析与可视化工具NetDraw制作的台湾地区燃料电池术专利发明人合作网络图，图中的圆圈的大小意味着专利发明人的专利数量的多少，而它们之前的连线则表示两人之前的合作关系，也就是共同出现在同一专利中，连线的粗细则表示两人的合作申请专利的多寡。我们发现日本东芝股份有限公司的高桥贤一与川村公一专利申请量分别为35件、30件，台湾胜光科技股份有限公司的许锡铭与邓丰毅专利申请量分别为32件、31件，勤益科技大学的管衍德申请了32件专利，他们占据了台湾地区燃料电池技术专利的前5名，是该领域的活跃发明人。虽然该领域合作申请率高达90.57%，但其合作关系不是广泛存在的，而是呈现出一个又一个的群落特征，从图9可以看出，它们彼此之间基本上没有互动关系。比较大的群落：群落1是由台湾地区的台湾胜光科技股份有限公司许锡铭（32件）、邓丰毅（31件）、张仓铭（24件）和勤益科技大学的管衍德教授（32）组成的群落；群落2是由日本东芝股份有限公司的高桥贤一（35件）、川村公一（30件）、长谷部裕之（27件）、根岸信保（23件）与东洋制罐股份有限公司的吉弘宪司（17件）组成的群落；群落3是由日本电气股份有限公司的久保佳实（20件）、吉武务（20件）、真子隆志（18件）与木村英和（17件）等组成的群落；群落4是由台湾地区的台湾中强光电股份有限公司的王正（22件）、黄金树（19件）、李柏（19件）组成的群落；群落5是由元智大学的翁芳柏（23件）、苏艾（22件）等和“原子能委员会核能研究所”李瑞益（20件）组成的群落；群落6是由一个一个的点组成的孤岛，他们彼此之间没有关联度，但其专利申请数量却也是十分高，主要有日本山叶发动机股份有限公司的村松恭行（23件）与东丽股份有限公司的出原大辅（21件），美国智慧能源有限公司的胡德·彼得·戴维（22件）以及台湾地区的台湾中兴电工机械股份有限公司的吴启斌（21件）等。这些群落（1～6）就是台湾地区燃料电池技术研发的主力团队，是该领域研发的重要贡献者。

图9 台湾地区燃料电池术专利发明人合作网络图

3.5 热点技术领域分布

为了探研台湾地区燃料电池的技术状况及不同技术之间的交叉融合现状，根据国际专利分类IPC类进行统计分析，并利用IPC技术领域分布和关联度等内容进行挖掘与分析。

3.5.1 主要技术领域分布

主IPC分类号是根据专利申请涉及的技术方案所属的领域来确定的，因此可以从主IPC分类号大致了解专利申请的内容和涉及的技术范围，进而初步了解该专利申请人研发的主要方向和技术领域[10]。本文研究的1623条发明专利共分布在512个IPC大组中，如表1所示，燃料电池及其制造的辅助装置或方法（H01M008/04），该技术领域专利占台湾地区燃料电池专利总量的30.86%，燃料电池及其制造的零部件（H01M008/02）占比为26.74%，燃料电池及其制造（H01M008/00）占比为19.03%以及固体电解质的燃料电池（H01M008/10）占比为16.94%，这些技术是台湾地区燃料电池的关键技术。燃料电池与制造反应剂或处理残物装置的结合（H01M008/06，占比为8.93%），用催化剂活化的惰性电极，例如用于燃料电池（H01M004/86，占比7.83%），把燃料电池组合成电池组，例如组合电池（H01M008/24，占比7.76%）以及燃料电池制造方法（H01M004/88）和燃料电池及其制造限定为高温工作（H01M008/12）等技术对台湾地区燃料电池也起着极其重要的作用，不容小觑。

表1 台湾地区燃料电池专利数排名前十位的IPC大组及其相应的技术领域

3.5.2 IPC共现分析

本部分主要运用社会网络共现分析法对专利IPC之间的相互关系进行分析，通过对各类目间关联及交叉性研究，IPC共现分析也是发现专利技术创新研究的重点之一。利用IPatent软件对专利数据IPC字段进行抽取并统计词频，生成词频文件以及CIT格式文件，最终我们得到可被Ucinet和NetDraw使用的IPC共现数据文件（台湾地区燃料电池专利数据＿抽取＿共现.vna）并绘图，如图10所示。每个矩形圆框代表一个IPC分类号，其大小表示出现的频次，而两者之间的连线则表示IPC的共现关系，线的粗细又与IPC两两共现频次正相关，线越粗则表示IPC共现的频次越高，反之亦然。它们之间的共现频次越高，则相互之间的依赖度越高，技术之间越具有凝聚力，那么这类技术通常可以被认为是该技术领域内的关键技术[10]。从图中可以看出，中国台湾该领域技术是以H01M008/04、H01M008/02、H01M008/00、H01M008/10、H01M008/06为核心的一系列相关技术为主，彼此相互之间存在着不同程度的共现关系，并且向不同的技术方向延伸而构成小的群落。其中，燃料电池零部件（H 01M 008/02）与固体电解质的燃料电池（H 01M 008/10）的相对入度较大且两两之间的关联度最高达到81；而用催化剂活化的惰性电极（H 01M 004/86），例如用于燃料电池，虽然相对入度较小，但其关联性很高。说明这些技术是燃料电池的关键技术，是当前研究的热点领域。

图10 台湾地区燃料电池技术IPC共现图

4 结论

通过对台湾地区燃料电池技术专利分析的发现，自1970年3月20日日本新力股份有限公司的马场英夫在中国台湾申请了第一条有关燃料电池的专利起，经过40多年的发展，台湾地区燃料电池技术日臻成熟，研究领域较多，主要集中在燃料电池及其制造的零部件、燃料电池及其制造、固体电解质的燃料电池，以及燃料电池与制造反应剂或处理残物装置的结合等关键技术。从竞争区域来看，中国台湾本土机构申请量共724件（44.61%），紧随其后的是日本485件（29.88%）与美国296件（18.23），这表明日本与美国十分重视该领域的中国台湾市场，而中国大陆的企业只申请了37件专利，其中申请主体企业还是在中国大陆投资的台资企业鸿海精密工业股份有限公司，因此还应加强对中国台湾市场该领域的重视。从合作申请方面看，该领域合作申请率高达90.57%，但合作申请主要发生在相同国家或地区的机构内，合作度比较大的群落有由台湾胜光科技股份有限公司许锡铭（32件）、邓丰毅（31件）、张仓铭（24件）和勤益科技大学的管衍德教授（32）组成的群落，由日本东芝股份有限公司的高桥贤一（35件）、川村公一（30件）、长谷部裕之（27件）、根岸信保（23件）与东洋制罐股份有限公司的吉弘宪司（17件）组成的群落以及日本电气股份有限公司的久保佳实（20件）、吉武务（20件）、真子隆志（18件）与木村英和（17件）组成的群落，但这些群落之间跨国家/地区合作申请还比较少。从专利成长周期来看，台湾地区燃料电池经历了萌芽期、成长期、成熟期、瓶颈期，技术发展已经十分成熟，目前商业应用成为研究重点。