燃料電池是將氫氣和氧氣作為燃料,利用電氣化學(xué)的縮減/氧化或“氧化還原”反映使兩者結(jié)(jié)合。反映后有三種副產(chǎn)物:電流——為金貴的太空船供給能量;水——當(dāng)氫氣和氧氣聯(lián)合后,產(chǎn)生的水可供宇航員飲用,也可用于冷卻設(shè)備;熱量——使宇航員免受太空嚴(yán)寒的侵襲。這項(xiàng)改革技巧知足了最急需的能源、生計(jì)和熱量。
氫和氧是地球上最豐盛的兩種元素。從空氣(氧氣在空氣中占21%)中很輕易獲得氧氣,植物開釋出氧氣,人類吸入氧氣,接下來它不竭地輪回。氫是水的基礎(chǔ)構(gòu)成元素。地球概況有70%籠罩著海水,用少許電流就可(kě)以從海水平分解出氫。盡管蘊(yùn)涵著如許豐盛的資本,燃料電池裝配的潛力并沒有被器重。原因是制作它們的原料(例如,鉑金,化學(xué)堿,極純的氫和氧)長(zhǎng)短常昂貴的,限制了它的大范疇貿(mào)易化。然而,科學(xué)家和工程技巧職員也沒有完整廢棄對(duì)燃料電池進(jìn)行研討的盡力。假如地球上的石油(petro)或煤資本耗盡,或變得罕見而不經(jīng)濟(jì),燃料電池是個(gè)可選用的能量起源。
比來幾十年里,情況題目、經(jīng)濟(jì)近況和科學(xué)提高已經(jīng)把燃料電池推到了能源議程的前沿。假如所有的汽車都用燃料電池產(chǎn)活潑力,或者每所屋子都有本身的燃料電池體系,昂貴而又損壞情況的煤或核燃料還會(huì)有地位嗎?從情況角度來說,成長(zhǎng)燃料電池技巧的來由是充足的,貿(mào)易潛力也是宏大的。挑釁來自于創(chuàng)(chuàng)造出低本錢的燃料電池技巧,使所有的汽車、屋子、隨身聽、筆記本電腦、手機(jī)、和MP3播放器都應(yīng)用燃料電池。也許汽油價(jià)(Oil prices)格較低時(shí),人們會(huì)下降對(duì)氫動(dòng)力的留意力,但事實(shí)表白,人們對(duì)氫動(dòng)力的愛好在不竭增添。
一、全球?qū)＠呄?/B>
剖析燃料電池研討技巧成長(zhǎng)的一個(gè)最有用的方式就是考核同期專利申請(qǐng)的趨向。專利是主要的金融投資和公司將某項(xiàng)發(fā)明投向市場(chǎng)的旌旗燈號(hào),它能表白相干技巧從基礎(chǔ)研討向產(chǎn)物利用的轉(zhuǎn)移。
用要害詞和國(guó)際專利分類對(duì)1999—2003年這5年來國(guó)外的燃料電池專利進(jìn)行檢索。結(jié)(jiē)果檢索到大約1萬余篇文獻(xiàn)。將這些文件按時(shí)光歸類,并繪制出這5年來的專利文獻(xiàn)數(shù)目變更圖表,顯示這段時(shí)代內(nèi)頒布的國(guó)外燃料電池專利的數(shù)目浮現(xiàn)了爆炸性的增添(見圖1)。這段時(shí)光里,發(fā)明專利數(shù)目增添了4倍以上,基礎(chǔ)專利申請(qǐng)?jiān)鎏砜缭搅?60%,1999年的申請(qǐng)不到1000件,2003年增添至大約4000件。1999年,氫燃料電池的投入不像今天如許宏大。這表白,公司之間在常識(shí)產(chǎn)權(quán)范疇中進(jìn)行著劇烈的競(jìng)爭(zhēng),這些公司盼望在其所申請(qǐng)的專利某一天可以或許轉(zhuǎn)化為“錢樹子”。
從國(guó)外燃料電池專利申請(qǐng)數(shù)目的增添上來看,介入(yù)研討的機(jī)構(gòu)已經(jīng)過純真的能量電池研討公司轉(zhuǎn)移到汽車制作廠商和花費(fèi)電子公司。從技巧的角度上,該范疇中還存在一些潛伏的題目,例如,存儲(chǔ)易燃?xì)洹＿@些題目在燃料電池獲得專利和大量上市之前必需解決。
很顯明,研討職員今朝正在對(duì)燃料電池技巧進(jìn)行大量的研討。圖2顯示1999年該范疇中積極地申請(qǐng)專利的國(guó)外主要公司。從中可以顯明看出,日本(Japan)公司是主要的專利權(quán)所有人,松下和三菱這兩個(gè)日本財(cái)產(chǎn)巨子是此中的(dì)引導(dǎo)者。圖2還明白地顯示了在1999年專利技巧是由一般的對(duì)燃料電池感愛好的公司所申請(qǐng)。
從專利文獻(xiàn)中可發(fā)明,東芝在申請(qǐng)新技巧專利方面很活潑,尤其在甲醇燃料電池(DMFC)范疇。東芝已經(jīng)研制出一種用在移動(dòng)耳機(jī)和音頻播放器上的微型電池。同大約工作(zuò)5小時(shí)的傳統(tǒng)鋰離子電池比擬,應(yīng)用DMFC專利技巧的微型(博燃網(wǎng)已經(jīng)走過了10年的風(fēng)雨歷程，在這10年里博燃網(wǎng)與行業(yè)用戶一同成長(zhǎng)。應(yīng)會(huì)員要求我們新開通了技術(shù)文庫(kù)(http://news.gasshow.com/TechnicalLB.html)，我們將竭誠(chéng)把最全、最新的技術(shù)資料呈現(xiàn)在您面前。)燃料電池工業(yè)的專利趨勢(shì)分析電池可連續(xù)工作10小時(shí)。
顯示2003年該范疇積極申請(qǐng)專利的國(guó)外的主要公司。從中可以發(fā)明,在專利申請(qǐng)人的類型上有一個(gè)有趣的變更。不僅前10名中有對(duì)折為汽車制作商,并且排在第11位的通用汽車公司也是出產(chǎn)汽車的企業(yè)。
如上所述,燃料電池技巧已經(jīng)越來越多地引起了世界范疇內(nèi)的存眷。經(jīng)濟(jì)和技巧高速成長(zhǎng)的中國(guó)(China)同樣面對(duì)著嚴(yán)重的能源危機(jī)。同時(shí),中國(guó)擁有如斯宏大的市場(chǎng),沒有哪一個(gè)公司在重點(diǎn)成長(zhǎng)某項(xiàng)技巧的時(shí)辰,會(huì)忘卻中國(guó)的市場(chǎng)。選擇(zé)1999—2003年這個(gè)時(shí)光段,來看一下中國(guó)燃料電池的專利狀態(tài)。
對(duì)今朝頒布的1999—2003年的中國(guó)的燃料電池專利進(jìn)行檢索,獲得1000多篇文獻(xiàn)。
斟酌到專利公然滯后的身分,中國(guó)的燃料電池的專利與國(guó)際上同期專利的趨向類似(sì),在近年也浮現(xiàn)了大幅度攀升的趨向,申請(qǐng)量從1999年的90件,增添到2003年的300多件。
1999年燃料電池在中國(guó)的專利申請(qǐng),絕大大都把握在外國(guó)公司手中。并且,這些公司分辨屬于多個(gè)國(guó)度,并沒有哪一個(gè)國(guó)度是絕對(duì)的引導(dǎo)者。這些分辨屬于分歧財(cái)產(chǎn)的公司,在中國(guó)這個(gè)潛力宏大的市場(chǎng)上關(guān)于燃料電池的技巧進(jìn)行了劇烈的競(jìng)爭(zhēng)。然而,這種狀態(tài)到了2003年,就有了顯明的改觀。
可以看到,2003年燃料電池的前10名專利申請(qǐng)人中(zhōng)有六名是中國(guó)的,并且其申請(qǐng)量較大,這闡明有關(guān)專利技巧很大水平(dù)上把握在中國(guó)的公司和研討機(jī)構(gòu)的手中。由此可以看到中國(guó)在近年對(duì)相干技巧進(jìn)行了大量的投入,在5年間取得了驕人的成就。
從圖6還可以看到,2003年申請(qǐng)中國(guó)專利的國(guó)外公司的格式也有很大變更。假如說1999年,該范疇的專利申請(qǐng)疏散把握在諸如美國(guó)(United States)、德國(guó)(Germany)、日本、瑞士(Switzerland)等多個(gè)國(guó)度的話,那么到了2003年,外國(guó)公司在中國(guó)的申請(qǐng)大大都都集中到了日本公司的手中,同時(shí)韓國(guó)的公司也開端介入了中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。
二、專利利用的熱門范疇
很顯明,1999—2003年燃料電池技巧范疇產(chǎn)生了某些變更。為了找到謎底,應(yīng)當(dāng)更深刻地研討燃料電池在哪些技巧范疇中獲得了利用。
1.燃料電池的利用范疇
自NASA初次應(yīng)用堿性燃料電池開端,人們已經(jīng)開辟了多種新型的燃料電池,這些燃料電池各有其優(yōu)毛病。NASA堿性電池很是昂貴,并且須要很是純的燃料。這種(zhǒng)類型的電池只實(shí)用于太空市場(chǎng),由于航天局的職員偏向于用純氫和純氧燃料為火箭發(fā)念頭供給動(dòng)力,這種電池不克不及等閑向花費(fèi)市場(chǎng)供給,由于燃料污染是個(gè)大題目。
人們須要的燃料電池是那種制作起來相對(duì)廉價(jià)并且對(duì)燃料請(qǐng)求是“開放的”,即采取非純氫或純氧的燃料,同時(shí),電池盡可能堅(jiān)持較高能量的輸出。假如要開辟實(shí)用的、受接待的產(chǎn)物,那么電池重量、電池啟動(dòng)時(shí)光和供電時(shí)對(duì)變更的反映等題目都很是主要。
在曩昔的20年中,人們開辟了很多合適這些前提的電池,固然它們并不克不及同時(shí)具有上述特征,但此刻有一些可供應(yīng)用的專用燃料電池。例如,為倫敦的公共汽車開辟的燃料電池和高機(jī)能汽車的燃料電池。為病院、家庭和隨身聽供給能量的電池,它們都有各自分歧實(shí)用的容量。
汽車行業(yè)的專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其他行業(yè),而移動(dòng)德律風(fēng)和手提電腦方面的專利申請(qǐng)量從2001年開端浮現(xiàn)了必定的增添。有關(guān)空間技巧的專利申請(qǐng)量只占總量的一小部門,其原因很有可能是設(shè)定了保密條例,防止由于專利授予而使有關(guān)技巧在公共范疇泄露。
今朝,有兩個(gè)范疇對(duì)供電壽命有急切需求。人們期望手提盤算機(jī)中的新式可充電式鋰電池在電量耗盡之前,可以或許連續(xù)應(yīng)用4個(gè)小時(shí)擺布。假如可以或許用燃料電池為手提盤算機(jī)供電,那么,在連續(xù)應(yīng)用一個(gè)月后當(dāng)它沒電的時(shí)辰,選擇什(shén)么來替換它呢?別的,從專利文獻(xiàn)中可以留意到,移動(dòng)德律風(fēng)和手提電腦方面的專利申請(qǐng)是相干聯(lián)的,由于專利權(quán)人在他們的專利中具體列舉了相干的利用。這些利用與移動(dòng)PDA和相干范疇的研發(fā)投入的增添是分不開的。
日本在移脫手機(jī)或便攜式盤算機(jī)專利方面的研討運(yùn)動(dòng)頻仍,該地域的主要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商DoCoMo公司一向致力于推進(jìn)能為當(dāng)?shù)匦麻_辟的高端手機(jī)高效供電的電池。跟著3.5G和混(hùn)合Wi-Fi收集的鼓起,新的帶寬的利用,對(duì)功耗裝配提出了新的請(qǐng)求。
在移動(dòng)競(jìng)技舞臺(tái)上燃料電池的新利用就是為藍(lán)牙耳機(jī)供電。諾基亞一向試圖從12ml的甲醇瓶中找到能堅(jiān)持通話60小時(shí)、待機(jī)200小時(shí)的電源的解決計(jì)劃。前文圖中的公司,例如,日立公司、索尼公司、東芝公司和松下電器財(cái)產(chǎn)有限公司,都很器重便攜式花費(fèi)電器的燃料電池的成長(zhǎng)潛力。
燃料電池的中國(guó)專利中,利用于汽車的專利申請(qǐng)盤踞了燃料電池范疇專利申請(qǐng)的主要部門;別的有大量的專利文獻(xiàn)指明,其所表露的燃料電池技巧或燃料電池零部件的出產(chǎn)實(shí)用于各類對(duì)能源有需求的財(cái)產(chǎn),這一類專利申請(qǐng)的數(shù)目其次;微型燃料電池可以作為移動(dòng)電源用于花費(fèi)電器,如移動(dòng)德律風(fēng)、便攜式攝像機(jī)等,這類的專利申請(qǐng)量也比擬大。此外,從專利文獻(xiàn)來看,燃料電池作為固定組合電源用于民用發(fā)電等范疇的專利申請(qǐng)量也在慢慢上升。
2.便攜花費(fèi)電器的平安
燃料電池存在有爆炸的潛伏危險(xiǎn)。這個(gè)嚴(yán)重的平安題目,或至少出于平安性的斟酌,影響了燃料電池在手提電腦和移動(dòng)德律風(fēng)上的應(yīng)用。借使倘使在手提電腦中應(yīng)用體積(V)雖小卻有爆炸性的內(nèi)置氫罐,不難想像大眾,和相干媒體強(qiáng)烈的反映。要包管在飛機(jī)上手提電腦和移動(dòng)德律風(fēng)的平安,平安性的題目更為凸起。如何儲(chǔ)存氫氣,能使其處于惰性、不易燃狀態(tài),又便于利用到燃料電池中呢?人們?nèi)绾尾鸥稍诠潭ɡ竦墓拗刑畛渥懔康臍錃?并確保比一般充電電池供能時(shí)光更長(zhǎng)呢?
固然花費(fèi)者并不在意帶著易燃液體駕駛,但對(duì)于打德律風(fēng)和應(yīng)用手提電腦,倒是別的一回事。很顯明,平安性對(duì)任何利用都是題目,尤其當(dāng)燃料的供給離手的地位較近。對(duì)平安機(jī)能的存眷已經(jīng)成為燃料電池專利成長(zhǎng)的趨向。大量資金不再投向燃料電池、電解、電極、容器和冷卻體系,而是轉(zhuǎn)向電池的存儲(chǔ)裝配和燃料供給上。如許的趨向從圖9中可以看到。1999年這方面的專利申請(qǐng)不到100件,而2003年,這方面的申請(qǐng)跨越700件。
中國(guó)在該范疇的專利申請(qǐng)狀態(tài)可以從圖10中看到。作為燃料電池技巧中的一個(gè)要害技巧,在燃料的存儲(chǔ)、供給方面的中國(guó)專利申請(qǐng)量增添敏捷。經(jīng)過過程閱讀相干文獻(xiàn),可以看出汽車、花費(fèi)電器、供電等行業(yè)的申請(qǐng)人都在存眷該技巧的成長(zhǎng)。
中國(guó)在燃料存儲(chǔ)、供給方面的專利申請(qǐng)狀態(tài)
3.納米技巧
20世紀(jì)80年月后期,有人發(fā)明某種形態(tài)的碳將自身包裝在一個(gè)不透氣的原子管內(nèi),形成了一個(gè)自力狹長(zhǎng)的、不成思議的纖維管。到今朝為止,人們并沒有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過這些納米碳管/納桿/納碳等。科學(xué)家發(fā)明,納米碳管(CNTs)可以儲(chǔ)存惰性氫。這些管很渺小,這一特征意味著“能量密集”,即納米碳管每平方厘米中可用氫的數(shù)目很是高。今朝,這一實(shí)例只在小型裝配中利用過,還未能應(yīng)用它解決現(xiàn)實(shí)題目,但汽車廠商在燃料電池這一特別范疇的專利申請(qǐng)運(yùn)動(dòng)很是活潑。汽車廠商制作燃料電池和汽車產(chǎn)物時(shí)依然須要?dú)涔蕖⒈煤腿剂瞎┙o裝配。
三、專利申請(qǐng)的地域性趨向
將每項(xiàng)發(fā)明第一次提出專利申請(qǐng)的國(guó)度(優(yōu)先權(quán)國(guó)度)做成圖,可以懂得專利的地域性趨向。一些專利權(quán)人習(xí)慣在他們本身的國(guó)度申請(qǐng)專利,但他們有時(shí)也會(huì)由于想獲得更(gèng)好地維護(hù)或者由于這些國(guó)度是豐富利潤(rùn)回報(bào)的市場(chǎng),而向其他國(guó)度的專利機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)。2003年燃料電池申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人列表中惟一的美國(guó)汽車公司是通用汽車公司。
日本稱霸于這一技巧范疇,但美國(guó)2003年的優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)量份額,比1999年有很大的增添,超越了歐洲(Europe)專利局和世界常識(shí)產(chǎn)權(quán)組織這兩大國(guó)際專利機(jī)構(gòu),排名從第五位上升到第二位。
不外德國(guó)和其他的歐洲國(guó)度失去了專利申請(qǐng)的很大份額。在5年間盡管他們現(xiàn)實(shí)申請(qǐng)數(shù)目翻了3倍,但仍然無法與日本和美國(guó)申請(qǐng)量的增添比擬。圖12中可以看到德國(guó)在排名榜上從第三位跌到了第五位,歐洲也失去了宏大份額。值得留意的是韓國(guó)專利一向堅(jiān)持著必定份額。
四、結(jié)論
從20世紀(jì)五六十年月狹窄的空間技巧利用范疇,成長(zhǎng)為21世紀(jì)早期的向陽(yáng)財(cái)產(chǎn),無疑燃料電池技巧已經(jīng)成熟。30年前,煤和石油不合實(shí)用做空間摸索的燃料,是以,NASA須要燃料電池。此刻,成長(zhǎng)燃料電池技巧是為了彌補(bǔ)、豐盛煤和石油的供給。石油價(jià)錢的提(tí)高和情況意識(shí)的加強(qiáng),迫使公司必需在二者之間做出決定(zé):或是連續(xù)應(yīng)用傳統(tǒng)發(fā)念頭,或是追求下降對(duì)礦物燃料能源全球依靠性的方式。惡劣的天氣變更激發(fā)了人們對(duì)地球的存眷,企業(yè)無論是出于社會(huì)效益或經(jīng)濟(jì)好處的念頭,都已經(jīng)不克不及再疏忽情況題目。
在1999—2003年的5年里,汽車財(cái)產(chǎn)已經(jīng)成為燃料電池技巧范疇專利申請(qǐng)量最大的財(cái)產(chǎn),此中美國(guó)和日本的專利申請(qǐng)?jiān)鎏碜疃?中國(guó)專利申請(qǐng)的增添勢(shì)頭也很可觀。可是,歐洲汽車財(cái)產(chǎn)卻表示平平,其專利申請(qǐng)量在不竭降落。
別的,上述剖析還顯示,企業(yè)不僅僅是在空間技巧和汽車范疇的燃料電池方面進(jìn)行投資,他們還著眼于德律風(fēng),電腦,數(shù)碼相機(jī),居室及任何一個(gè)可能應(yīng)用氫的處所。這是由于氫燃料電池重量輕、能耗又較通俗電池和內(nèi)燃機(jī)低,使它可以或許作為干凈的能源。
專利剖析展現(xiàn),該范疇的研發(fā)和專利申請(qǐng)一向都很活潑。這闡明,科學(xué)家和工程技巧職員正在為人類向干凈、低污染、低資本依靠的將來邁進(jìn)而盡力工作。氫革(gé)命的真正實(shí)現(xiàn)指日可待,這不僅(jǐn)有益于機(jī)構(gòu)、集團(tuán)和花費(fèi)者,還有益于我們生涯的星球。