应用Altshuller和Darrell Mann模式对专利产品技术成熟度预测——以微生物燃料电池为例

总第79期 沈璐 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员、杜骁勇 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员发表,[专利]文章

  一、 引言

  1、Altshuller和Darrell Mann专利考察模式

  前苏联著名发明家G.S. Altshuller( G . S . 阿奇舒勒) 及其同事提出了T R I Z理论,其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。其中包含很多适用于技术创新的工具和方法,如:矛盾解决原理、物质场分析等。产品技术成熟度预测是TR I Z理论的一项重要研究内容。科研工作者和生产者可以通过对产品技术成熟度的预测,了解产品技术的进化过程,为进一步的科研、生产策略和计划制定提供参考,对技术发展具有重要意义。

  本文采用的产品技术成熟度预测方法有以下两种:

  (1)应用Altshuller专利考察模式进行产品技术成熟度预测:通过对大量专利的分析,Altshuller将专利分为五个等级,并发现了专利等级、专利数量和获利能力随技术系统生命周期的变化规律,这些规律和S曲线(产品进化过程曲线)一起被后来的技术预测专家用来进行产品技术成熟度预测。

  (2)应用D a r r e l l M a n n专利考察模式进行产品技术成熟度预测:受Altshullar专利考察模式的启发,DarrellMann根据专利的基本功能,重点考察了两类特殊的专利:降低成本的专利和弥补缺陷的专利,得出了这两类专利的数量随技术系统生命周期的变化规律。据此进行产品技术成熟度预测,能够较快确定技术是否已经过了成熟期。

  2、微生物燃料电池

  微生物燃料电池(M F C)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置,其基本原理是作为燃料的有机物在厌氧阳极室中被产电微生物氧化,产生电子与质子,其中电子被微生物捕获并传递给电池阳极,通过外电路到达阴极,形成回路产生电流。而质子通过隔膜到达阴极,与氧气及电子反应生成水。微生物燃料电池具有无污染、适用范围广泛等优点,目前已经成为治理污染、开发新能源方面的研究新热点。

  目前针对MF C专利领域的研究主要为专利趋势分析、分类号研究及检索和专利申请状况分析,但是针对MFC产品技术成熟度预测的研究未见报道。

  二、样本构成

  1、检索数据库

  使用的检索系统为CNABS。

  2、检索关键词及主要分类号

  关键词:微生物、燃料电池、MFC

  主要分类号:分类号: C02F、H01M

  3、检索结果

  检索截止日为2012年11月30日,经过去除噪音及去除同样的发明创造后,共获取2000-2011年相关专利申请182篇,作为主要统计分析样本;2000年之前未见相关专利申请;2012年专利申请公开不完全,仅作为背景分析,不纳入统计分析样本。

  三、微生物燃料电池专利的分级和分类

  专利分级使用Altshuller发明的专利五级分级标准,通过全面阅读分析专利信息(权利要求书、说明书及附图、摘要)、确立标志性专利、纵向比较等步骤而得出具体的分级;专利分类中关注Darrell Mann的专利考察模式中重点考察的两类特殊的专利:降低成本的专利和弥补缺陷的专利,确定每份专利或申请所属于的类别,最后统计数量,拟合曲线,与分级过程可同步进行。

  1、专利信息分析与整理

  在对微生物燃料电池进行分级和分类前,首先通过对专业背景资料和专利信息的阅读,对微生物燃料电池技术的发展有全面的了解,主要分析专利申请所要解决的技术问题,以及解决该问题所采取的技术手段。通过阅读分析,可以主观的了解技术的继承与发展脉络,为分级作准备。

  在专利技术发展中,微生物燃料电池的技术改进主要为系统构型的改变、电极材料的改进、交换膜材料的变化及微生物的选用等。

  微生物燃料电池在结构上可以分为单室MF C和双室MFC两种。典型的双室MFC由阳极室、质子交换膜和阴极室组成。单室MFC省去阴极室直接把质子膜固定在阴极上,阴极室暴露在空气中,空气中的氧气直接传递给阴极。二者各具有优缺点,在专利发展中发明人对MFC构型进行不断的调整,以克服在先技术的缺陷。例如申请号为20051001185.5(一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池)的专利为首个单池式微生物燃料电池;申请号为20051008661.8(生物反应器--直接微生物燃料电池及其用途)的专利申请为双室结构的变形,即主要由筒状的阳极室、阴极室及将两室中间隔开的质子交换膜构成;申请号20071014496.5(一种管式升流式空气阴极微生物燃料电池)的专利,具备了微生物燃料电池构型的优点,并结合了上升流活性碳阳极和无膜空气阴极于一体的,可以使两电极间距离尽可能最小。

  从MFC产电机理来看,阳极作为产电微生物附着的载体,不仅影响产电微生物的附着量,同时还影响电子从微生物向阳极的传递,因此早期很多研究都集中在阳极材料的选择和修饰上。阴极作为电子受体,主要是氧化态的物质,近年在专利申请中也较为常见。例如申请号为20071019540.5的专利提供了一种铁离子循环电极及其制备方法;申请号为20071019656.9的专利提供了一种含锰离子的微生物燃料电池阳极的制备方法;申请号为20091004092.0的专利公开了一种用于微生物燃料电池的布阴极组件及其制备方法,该布阴极组件包括防水透气层、布基材料层和导电催化层或者包括防水透气布和导电催化层;申请号为20101001927.1的专利中使用碳化镍钼作为微生物燃料电池阳极;申请号为20101022015.2(一种微型微生物燃料电池)的专利申请中的阳极为金丝微电极阵列,空气阴极为膜电极:质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。

  膜材料在MFC中的应用主要为分离两极室中的电解液,同时使阳极室中的质子通过,其中质子交换膜被广泛使用。但出于成本的考虑,去膜和采用其他膜对质子交换膜进行取代成为专利申请的一个发展趋势,例如:申请号为20051011421.3(燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法)的专利采用微生物作为燃料电池中质子交换膜,对环境不造成污染有效地降低了质子交换膜的生产成本;申请号为20081002795.3(一种微生物燃料电池及应用)的专利采用的膜材料为离子交换膜,具有与传统使用质子交换膜MFC相当甚至略高的输出功率与产电性能,能很好的替代传统使用质子交换膜MFC,并可降低微生物燃料电池成本。

  微生物的选择影响着代谢通路, 从而影响对有机质的去除和/ 或能量输出功率。在微生物的选用上, 根据不同的发明目的有产气肠杆菌(申请号为20081002922.2)、海洋酵母(20091009798.8)、希瓦氏菌(申请号为20091014094.3和20091030567.7)、弗氏柠檬酸杆菌(20091019363.9)、蜡样芽孢杆菌(20111034751.2)等等。

  此外,在应用的领域上,除了传统的用于发电和废水处理的微生物燃料电池之外,该技术扩展到其它的广大领域中,例如:申请号为20061003825.2(一种生态厕所)的专利申请利用微生物燃料电池理论,设计了粪便-微生物-质子膜-电极构成的“粪便电池”;申请号为20091009346.8的专利申请公开了一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池系统,该系统设置在人体的横结肠中,利用肠道微生物和内容物产电,可为植入式医疗设备提供能源;申请号为20101014660.4(微生物燃料电池及安有该电池的发电装置)的专利申请公开了一种安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用;申请号为20111008632.6的专利申请中的微生物燃料电池能降解挥发性有机物,在处理挥发性有机废气的同时实现电能的回收。

  表1. Altshuller专利分级标准

  2、分级

  Altshuller的专利五级分级标准,具体如表1所示:

  经过对专利信息的阅读分析后,确立了标志性专利:申请号为00810805(一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池)的专利为首个进入中国的微生物燃料电池申请,至少用到微生物、电池、废水处理三个领域的知识,采用交叉学科解决了产电的同时能够进行污水处理的的技术问题,创造了一种新的系统(仅在专利领域考虑)。作为首个标志性的专利,在专利等级分析时,定级较高,为4级;申请号为20051001185.5(一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池)的专利为首个单池式微生物燃料电池,无须外加动力来提高阴极表面的氧气含量,无须投加电子转移介体,并且阳极池无需氮气吹脱就能较好地维持厌氧状态,使系统发生了质变,经过综合考虑,在专利等级分析时,定为3级。

  对于其余的专利或申请进行分级,也要经过纵向比较,分析其所要解决的技术问题及采用的技术手段,根据分类标准来定级,例如:申请号为20061014499.1(可堆叠式单室微生物燃料电池)的专利公开了一种可堆叠式单室微生物燃料电池,这种构型虽然是首次出现,但是为通过数量的叠加来提高产电能力,量的变化更为明显,在Altshuller的专利考察模式中通常将这类专利定为一级。当然,如果专利中出现其他的技术特征,协同使得该专利较之前的专利申请有质的改变,分级可以再考虑;申请号为20091004203.8(一种微生物燃料电池及其制备方法和应用)的专利将微生物燃料电池及电芬顿有效的结合起来,使系统发生了质的变化,用到了全行业的知识,因此定位2级;申请号为20091007803.6(一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置)的专利利用微生物燃料电池的内电流在处理污水、产电的同时脱盐。使系统发生了质的变化,用到了全行业的知识,因此定位2级;申请号为20101022182.0(一种植物--土壤微生物燃料电池系统)的专利申请中,使阳极电极置于植物根部周围的土壤内,阴极电极置于土壤表面。主要以植物光合作用生产并释放到根部的有机质为燃料,避免了产电微生物以污水中有机质为燃料时,有机质对产电微生物的抑制作用,从而导致产电效率低的问题。系统发生变化,用到了全行业的知识,定位2级。

  经过对分析样本的全面阅读与分析后,最终将微生物燃料电池专利信息整理汇总如表2所示:

  表2. 微生物燃料电池专利信息整理汇总

  四、微生物燃料电池产品技术成熟度预测

  1、Altshullar专利考察模式

  根据表2内容,绘制专利数量统计曲线和专利等级统计曲线,并与标准曲线进行对比,如图1、图2所示。

  统计曲线拐点位置与标准曲线对应的拐点位置如箭头所示。根据曲线拐点可以预测,微生物燃料电池产品技术目前已结束婴儿期,处于快速成长阶段。由专利数量统计曲线可知:技术系统较婴儿期阶段有较快的发展,研发数量稳步增长。而对于专利等级统计曲线的变化:当微生物燃料电池产品技术进入稳定的发展轨道,数量增长明显,某个特定技术空间内的专利密度增大,将会导致专利保护范围的缩小,且会出现大部分针对单一要素进行某一指标的提高的专利技术,从而拉低专利等级。

  2、Darrell Mann专利考察模式

  在进行专利数据整理时,发现2000-2011年间高校申请和科研院所申请量占总申请量的96%,从侧面说明微生物燃料电池产品技术还处于研发阶段,因为还没有大规模投入使用,反映在Darrell Mann专利考察模式中,以降低成本为目的的专利申请会小于弥补技术缺陷的专利申请。

  Darrell Mann专利考察模式主要应用是快速判断技术是否进入成熟期。根据表2内容,绘制弥补技术缺陷专利数量统计曲线和降低成本专利数量统计曲线,并与标准曲线进行对比,如图4、图5所示。

  从图4 ( a ) 和图5 ( a ) 中可以看到在2009年到2010年间弥补技术缺陷专利数量和降低成本专利数量出现了明显下滑,结合图1(a)--专利数量统计曲线,可以看到其原因为2010年专利申请数量明显低于2009年。这种情况的出现有以下的可能:(1)对专利申请的国家和地区进行统计,发现2009年进入中国大陆的专利申请共7份,占2009年专利申请数量总数的17.9%,而2010年其他国家和地区进入中国大陆的专利申请数量为0,2011年同样为0,说明其他国家和地区出于技术发展或专利战略等原因,于2010年起逐渐放弃我国的专利市场,使专利申请数量受到影响,而这个原因很可能是由于遇到了产电能力难以大幅度提高的技术瓶颈以及生产成本的控制难以达到实现广泛应用的目的;(2)微生物燃料电池领域的研究主力为高校和科研院所,2009年有24所高校及科研院所提交了专利申请,2010年仅有19所,研究室的科研方向转向也部分影响了2010年的专利申请数量。

  但是该曲线的下滑段并不影响曲线上升的总趋势判断,从图4和图5中可以看出,微生物燃料电池产品技术还未进入成熟期,结合对专利信息的理解和两种分类专利数量对比,应该还处于成长期当中。

  五、结论

  进入我国最早两份关于微生物燃料电池的申请(申请号:00809995、00810805)均由韩国科学技术研究院于2000年递交,之后才出现由我国高校兴起的微生物燃料电池专利申请,在经历模仿、吸收后、开始创新,因此微生物燃料电池产品技术经历的婴儿期比较短暂,进入成长期比较迅速。

  经过对专利信息的分析,同时结合期刊文献公开的关于微生物燃料电池的资料,认为应用Altshuller和Darrell Mann的专利考察模式对微生物燃料电池产品技术的成熟度预测结果是可信的。在未来的发展中,微生物燃料电池技术将会不断的成熟,成为污水处理领域的常用技术。

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