基于IPatent的臺灣地區燃料電池專利競爭態勢分析

李萬輝 錢莉萍 陳 憶

福建省科學技術信息研究所，福建 福州 350002

1 研究背景

燃料電池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[1]。它的種類有很多，而且分類方式也各不相同，目前按電解質不同來分類是比較常見的分類方式，即分為堿性、甲醇、磷酸、質子交換膜、熔融碳酸鹽以及固體氧化物燃料電池等六大技術方向[2]。燃料電池作為一種清潔能源，與其他常規化學電源相比，其能量密度是鋰電池的10倍，具有污染小、補充方便、可靠性高和能量轉化效率高等優點。燃料電池近年來逐漸成為研究熱點，日本、美國、英國、德國以及中國臺灣等在燃料電池研究領域投入了大量的研究以及政策資金支持，全球有上千家企業和機構投入巨額資金進行燃料電池的研究和商業化工作[3]。近些年，臺灣地區燃料電池[4]也得到了快速發展，有關資料顯示，到2020年臺灣地區燃料電池產業可能有接近新臺幣千億元的潛力，國際市場占有率將達5%,臺灣地區燃料電池（氫能、燃料電池產品技術與產業規模）在國際上占據重要地位。

對于燃料電池專利相關的研究，中科院文獻情報中心的謝華玲等人利用Thomson Data Analyzer、Origin等工具，從專利計量的角度，分析了全球燃料電池汽車專利研發歷程及態勢[5]。中國科學技術信息研究所的張海超等人從專利數據角度聚焦電動汽車行業,對燃料電池領域的總體發展態勢、主要研發機構、技術生命周期、關鍵分支技術和技術功效等方面進行分析[6]。山東理工大學的吳紅等人運用對比分析法,從時間序列趨勢、研發領域、創新質量以及同族專利等多個維度,對SIPO公布的燃料電池領域發明專利進行了對比分析[7]。北京市科學技術情報研究所的侯元元等人也從專利視角，梳理了我國燃料電池近幾年的發展狀況。雖然對燃料電池的研究文獻比較多，但對臺灣地區燃料電池研究現狀與趨勢進行系統分析的文獻較少[8]。

本文以臺灣地區燃料電池的專利文獻為研究對象，利用IPatent軟件對專利數據進行處理，從專利總體發展趨勢、專利區域分布、專利企業競爭力、專利競爭者關聯關系、主要技術領域分布以及IPC共現分析等方面開展競爭態勢分析研究，以期對我國燃料電池發展產生一定的借鑒意義。

2 專利數據處理工具及分析與處理流程

2.1 專利數據處理工具

本研究主要用自主研發的專利數據處理軟件IPatent來完成分析處理，IPatent是基于C#技術開發的專利數據分析平臺，具有界面簡潔、操作簡單、處理數據速度快的特點，具體功能如下。

（1）能夠對Excel數據或文本數據進行歸一化處理，進而完成對原始數據的各數據項的抽取處理，如圖1所示。

圖1 專利數據抽取Excel指定字段

（2）能夠選定某特定數據項目的詞頻統計,并生成相應的cit格式文件，以及進行數據去重處理（包括行內重復數據以及多行重復數據的處理）。

（3）能夠生成數據趨勢數據并自動繪圖，如圖2所示。

圖2 生成數據趨勢數據并自動繪圖

（4）能夠按特定時間段對數據進行劃片處理，即可以完成生命周期圖數據區間處理，如圖3所示。

圖3 生成生命周期圖

（5）在詞頻統計基礎上，能夠生成共現數據，進而實現專利IPC關聯分析以及專利權人合作圖譜分析，如圖3所示。

圖3 生成共現數據VNA文件

2.2 專利數據分析與處理流程

為了把握和分析當前臺灣地區燃料電池發展及趨勢，本文以臺灣地區Webpat專利數據庫為數據來源，以2018年12月31日為截止日期,并以主題詞為檢索條件，最終確定檢索式為：(TTL：(燃料電池) OR TTL：(Fuel Cells Technology) AND PD：[*TO 2018-12-31])，共檢索得到與燃料電池相關的1891條專利數據，其中發明專利1647條，實用新型專利235條，外觀設計專利9條。對專利數據進行清洗處理，剔除掉數據項缺少和格式不統一的專利數據，最終得到有效發明專利數據1623條。圖4詳細描繪了臺灣地區燃料電池專利數據分析與處理流程。

圖4 臺灣地區燃料電池專利數據分析與處理流程

3 臺灣地區燃料電池專利數據態勢分析

本部分主要用文獻計量方法對臺灣地區燃料電池專利數據進行態勢分析，從宏觀角度對臺灣地區燃料電池技術進行整體了解與認識。

3.1 創新創業教育的起源

從臺灣地區燃料電池申請數量年度分布（圖5）來看，燃料電池專利技術的發展可分為4個階段：第1階段（1971—1996年）是臺灣地區燃料電池技術的孕育期，該階段專利申請數量比較少，每年不超過3件，且專利增長速度比較緩慢，專利申請主力為財團法人工業技術研究院（3件）、美國燃料電池股份有限公司（2件）、聯合工藝公司（2件）。第2階段（1997—2003年）是臺灣地區燃料電池技術的發展期，該階段專利申請數量明顯增多，2002年后大幅增長達到45件，專利申請主力為亞太燃料電池科技股份有限公司（該公司一直致力于質子交換膜燃料電池和燃料電池輕型車低壓儲氫系統領域研發）、新力股份有限公司、財團法人工業技術研究院以及摩托羅拉公司與本田技研工業股份有限公司。第3階段（2003—2011年）是臺灣地區燃料電池技術的調整發展時期，專利申請數量飛速增長，到2007年達到峰值205件，其中以日本公司的專利申請數量增長速度最快，該時期作為專利申請主力的日本公司是東芝股份有限公司（79件）、新日本石油股份有限公司（27件）、日本電氣股份有限公司（24件）。第四階段（2012—2017年）是臺灣地區燃料電池技術的瓶頸期，專利權人數量和專利申請數量開始顯著下降，2017年專利申請數量僅有23件，因為專利從申請到公開通常存在18個月的期限,故2018年的專利申請數據還不完整，僅作參考。

圖5 臺灣地區燃料電池申請數量年度分布

利用IPatent軟件抽取生成“臺灣地區燃料電池專利數據—生命周期數據.lcd”文件并繪制臺灣地區燃料電池技術生命周期圖，如圖6所示。圖中，專利權人數量為橫軸，專利申請數量為縱軸，圖6可以清晰明了地展現臺灣地區燃料電池的發展各個階段。我們可以看到，自2001年開始進入成長期，專利申請數量和專利權人數量開始明顯增長，尤其在2004年后高速增長；2007年達到峰值，專利申請量高達205件，而之后臺灣地區燃料電池進入成熟期，專利權人數量和專利申請數量開始回落。

圖6 臺灣地區燃料電池技術生命周期圖

3.2 專利區域分布

從圖7可以看出，中國臺灣專利申請共724件，其中大部分是中國臺灣的企業、科研院所，占總量的44.61%，這說明中國臺灣十分重視燃料電池專利的研發與保護，占據了絕對優勢，緊隨其后的日本（485件）、美國（296件）是中國臺灣燃料電池專利的主要申請國家，占該領域專利申請數量總量的92.7%，這說明上述地區和國家在燃料電池領域占據了絕對領先優勢。其中日本是最早在中國臺灣燃料電池領域申請專利的國家，早在1970年3月20日，由日本新力股份有限公司的馬場英夫在中國臺灣申請了第一條有關燃料電池的專利，從2000年開始，日本專利申請量一直保持穩定，申請量達到頂峰的時期是在2006—2008年期間，專利平均申請量達到60件，共有104個公司或機構在中國臺灣申請了專利，其中研發主力為東芝股份有限公司(89件，占比16.6%)、東麗股份有限公司（40件，占比7.46%）、山葉發動機股份有限公司（35件，占比6.52%）。美國在該領域起步要晚于日本，1986年7月24日，才由美國燃料電池股份有限公司的包以德等人在中國臺灣申請了IPC為H01M008/02的第一條專利，2001年之后，專利申請量穩定增長，在2003年達到最大量47件，共有96個美國機構在中國臺灣該領域申請了專利，其研發主力是惠普研發公司（38件，占比12%）、博隆能源股份有限公司（33件，占比10.44）、伊達科技公司（24件，占比7.59%）以及亞太燃料電池科技股份有限公司（23件，占比7.27%）。而中國大陸只申請了37件（未包括香港、澳門和臺灣），其研發主力為鴻海精密工業股份有限公司與中興電工機械股份有限公司，表明在該領域我國申請人所擁有專利申請量與日本、美國、英國、加拿大4國還存在較大差距。

圖7 燃料電池區域分布

3.3 專利企業競爭力分析

對專利申請人的來源數據進行抽取統計，圖8是各個國家和地區有關燃料電池技術的專利申請量≥8件的企業數量（含機構、大學）。從圖中我們可以看出，中國臺灣以22家企業（大學或研究機構）高居榜首，專利總量為571件，占統計總量的50.7%，其主力單位是財團法人工業技術研究院（85件）、勝光科技股份有限公司（67件）、智慧能源有限公司（55件）以及“原子能委員會核能研究所”（52件）等；日本企業在專利申請量上稍遜于中國臺灣，專利均值達到22，而緊隨其后的是美國，專利均值為19，可以看出，日本與美國十分重視中國臺灣燃料電池市場，他們的企業申請了大量的專利，日本的東芝股份有限公司和東麗股份有限公司專利申請量分別高達89件與40件，而美國的惠普研發公司和博隆能源股份有限公司專利申請量也有38件和34件，這些專利不僅僅是外觀設計類型，還包括大量的核心發明專利，逐漸形成較為完善的專利保護網絡。而中國大陸和英國只有一家企業上榜，未來仍然需要加強對燃料電池市場的重視。

3.4 專利競爭者關聯分析

發明專利是各行業技術創新的集中體現，專利發明人的合作情況在一定程度上反映了行業的技術發展狀況和技術擴散程度。用社會網絡分析等方法對這些發明人的合作情況進行可視化分析，以便能夠進一步反映主要臺灣地區燃料電池技術發明人之間的合作情況[9]。專利發明人也是專利競爭者，他們之間雖然存在競爭關系，但合作現象更加普遍，表明在某些領域技術研發存在相似性，也反映出競爭者之間有著某種關聯性。對于這種競爭者關聯性，國內學者多數采用合作網絡分析法來分析專利權人的合作關系。本文利用IPatent軟件對專利發明人有合作關系的專利數據進行抽取并統計頻次，并同時生成“臺灣地區燃料電池專利數據＿抽取＿共現.vna”文件。圖9是利用社會網絡分析與可視化工具NetDraw制作的臺灣地區燃料電池術專利發明人合作網絡圖，圖中的圓圈的大小意味著專利發明人的專利數量的多少，而它們之前的連線則表示兩人之前的合作關系，也就是共同出現在同一專利中，連線的粗細則表示兩人的合作申請專利的多寡。我們發現日本東芝股份有限公司的高橋賢一與川村公一專利申請量分別為35件、30件，臺灣勝光科技股份有限公司的許錫銘與鄧豐毅專利申請量分別為32件、31件，勤益科技大學的管衍德申請了32件專利，他們占據了臺灣地區燃料電池技術專利的前5名，是該領域的活躍發明人。雖然該領域合作申請率高達90.57%，但其合作關系不是廣泛存在的，而是呈現出一個又一個的群落特征，從圖9可以看出，它們彼此之間基本上沒有互動關系。比較大的群落：群落1是由臺灣地區的臺灣勝光科技股份有限公司許錫銘（32件）、鄧豐毅（31件）、張倉銘（24件）和勤益科技大學的管衍德教授（32）組成的群落；群落2是由日本東芝股份有限公司的高橋賢一（35件）、川村公一（30件）、長谷部裕之（27件）、根岸信保（23件）與東洋制罐股份有限公司的吉弘憲司（17件）組成的群落；群落3是由日本電氣股份有限公司的久保佳實（20件）、吉武務（20件）、真子隆志（18件）與木村英和（17件）等組成的群落；群落4是由臺灣地區的臺灣中強光電股份有限公司的王正（22件）、黃金樹（19件）、李柏（19件）組成的群落；群落5是由元智大學的翁芳柏（23件）、蘇艾（22件）等和“原子能委員會核能研究所”李瑞益（20件）組成的群落；群落6是由一個一個的點組成的孤島，他們彼此之間沒有關聯度，但其專利申請數量卻也是十分高，主要有日本山葉發動機股份有限公司的村松恭行（23件）與東麗股份有限公司的出原大輔（21件），美國智慧能源有限公司的胡德·彼得·戴維（22件）以及臺灣地區的臺灣中興電工機械股份有限公司的吳啟斌（21件）等。這些群落（1～6）就是臺灣地區燃料電池技術研發的主力團隊，是該領域研發的重要貢獻者。

圖9 臺灣地區燃料電池術專利發明人合作網絡圖

3.5 熱點技術領域分布

為了探研臺灣地區燃料電池的技術狀況及不同技術之間的交叉融合現狀，根據國際專利分類IPC類進行統計分析，并利用IPC技術領域分布和關聯度等內容進行挖掘與分析。

3.5.1 主要技術領域分布

主IPC分類號是根據專利申請涉及的技術方案所屬的領域來確定的，因此可以從主IPC分類號大致了解專利申請的內容和涉及的技術范圍，進而初步了解該專利申請人研發的主要方向和技術領域[10]。本文研究的1623條發明專利共分布在512個IPC大組中，如表1所示，燃料電池及其制造的輔助裝置或方法（H01M008/04），該技術領域專利占臺灣地區燃料電池專利總量的30.86%，燃料電池及其制造的零部件（H01M008/02）占比為26.74%，燃料電池及其制造（H01M008/00）占比為19.03%以及固體電解質的燃料電池（H01M008/10）占比為16.94%，這些技術是臺灣地區燃料電池的關鍵技術。燃料電池與制造反應劑或處理殘物裝置的結合（H01M008/06，占比為8.93%），用催化劑活化的惰性電極，例如用于燃料電池（H01M004/86，占比7.83%），把燃料電池組合成電池組，例如組合電池（H01M008/24，占比7.76%）以及燃料電池制造方法（H01M004/88）和燃料電池及其制造限定為高溫工作（H01M008/12）等技術對臺灣地區燃料電池也起著極其重要的作用，不容小覷。

表1 臺灣地區燃料電池專利數排名前十位的IPC大組及其相應的技術領域

3.5.2 IPC共現分析

本部分主要運用社會網絡共現分析法對專利IPC之間的相互關系進行分析，通過對各類目間關聯及交叉性研究，IPC共現分析也是發現專利技術創新研究的重點之一。利用IPatent軟件對專利數據IPC字段進行抽取并統計詞頻，生成詞頻文件以及CIT格式文件，最終我們得到可被Ucinet和NetDraw使用的IPC共現數據文件（臺灣地區燃料電池專利數據＿抽取＿共現.vna）并繪圖，如圖10所示。每個矩形圓框代表一個IPC分類號，其大小表示出現的頻次，而兩者之間的連線則表示IPC的共現關系，線的粗細又與IPC兩兩共現頻次正相關，線越粗則表示IPC共現的頻次越高，反之亦然。它們之間的共現頻次越高，則相互之間的依賴度越高，技術之間越具有凝聚力，那么這類技術通常可以被認為是該技術領域內的關鍵技術[10]。從圖中可以看出，中國臺灣該領域技術是以H01M008/04、H01M008/02、H01M008/00、H01M008/10、H01M008/06為核心的一系列相關技術為主，彼此相互之間存在著不同程度的共現關系，并且向不同的技術方向延伸而構成小的群落。其中，燃料電池零部件（H 01M 008/02）與固體電解質的燃料電池（H 01M 008/10）的相對入度較大且兩兩之間的關聯度最高達到81；而用催化劑活化的惰性電極（H 01M 004/86），例如用于燃料電池，雖然相對入度較小，但其關聯性很高。說明這些技術是燃料電池的關鍵技術，是當前研究的熱點領域。

圖10 臺灣地區燃料電池技術IPC共現圖

4 結論

通過對臺灣地區燃料電池技術專利分析的發現，自1970年3月20日日本新力股份有限公司的馬場英夫在中國臺灣申請了第一條有關燃料電池的專利起，經過40多年的發展，臺灣地區燃料電池技術日臻成熟，研究領域較多，主要集中在燃料電池及其制造的零部件、燃料電池及其制造、固體電解質的燃料電池，以及燃料電池與制造反應劑或處理殘物裝置的結合等關鍵技術。從競爭區域來看，中國臺灣本土機構申請量共724件（44.61%），緊隨其后的是日本485件（29.88%）與美國296件（18.23），這表明日本與美國十分重視該領域的中國臺灣市場，而中國大陸的企業只申請了37件專利，其中申請主體企業還是在中國大陸投資的臺資企業鴻海精密工業股份有限公司，因此還應加強對中國臺灣市場該領域的重視。從合作申請方面看，該領域合作申請率高達90.57%，但合作申請主要發生在相同國家或地區的機構內，合作度比較大的群落有由臺灣勝光科技股份有限公司許錫銘（32件）、鄧豐毅（31件）、張倉銘（24件）和勤益科技大學的管衍德教授（32）組成的群落，由日本東芝股份有限公司的高橋賢一（35件）、川村公一（30件）、長谷部裕之（27件）、根岸信保（23件）與東洋制罐股份有限公司的吉弘憲司（17件）組成的群落以及日本電氣股份有限公司的久保佳實（20件）、吉武務（20件）、真子隆志（18件）與木村英和（17件）組成的群落，但這些群落之間跨國家/地區合作申請還比較少。從專利成長周期來看，臺灣地區燃料電池經歷了萌芽期、成長期、成熟期、瓶頸期，技術發展已經十分成熟，目前商業應用成為研究重點。