沈璐　杜驍勇

一、 引言

1、Altshuller和Darrell Mann專(zhuān)利考察模式

前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S. Altshuller（G.S.阿奇舒勒）及其同事提出了TRIZ理論，其目的是研究人類(lèi)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和法則。其中包含很多適用于技術(shù)創(chuàng)新的工具和方法，如：矛盾解決原理、物質(zhì)場(chǎng)分析等。產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)是TRIZ理論的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容?？蒲泄ぷ髡吆蜕a(chǎn)者可以通過(guò)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)成熟度的預(yù)測(cè)，了解產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)化過(guò)程，為進(jìn)一步的科研、生產(chǎn)策略和計(jì)劃制定提供參考，對(duì)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

本文采用的產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)方法有以下兩種：

（1）應(yīng)用Altshuller專(zhuān)利考察模式進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)：通過(guò)對(duì)大量專(zhuān)利的分析，Altshuller將專(zhuān)利分為五個(gè)等級(jí)，并發(fā)現(xiàn)了專(zhuān)利等級(jí)、專(zhuān)利數(shù)量和獲利能力隨技術(shù)系統(tǒng)生命周期的變化規(guī)律，這些規(guī)律和S曲線(xiàn)（產(chǎn)品進(jìn)化過(guò)程曲線(xiàn)）一起被后來(lái)的技術(shù)預(yù)測(cè)專(zhuān)家用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)。

（2）應(yīng)用Darrell Mann專(zhuān)利考察模式進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)：受Altshullar專(zhuān)利考察模式的啟發(fā)，Darrell Mann根據(jù)專(zhuān)利的基本功能，重點(diǎn)考察了兩類(lèi)特殊的專(zhuān)利：降低成本的專(zhuān)利和彌補(bǔ)缺陷的專(zhuān)利，得出了這兩類(lèi)專(zhuān)利的數(shù)量隨技術(shù)系統(tǒng)生命周期的變化規(guī)律。據(jù)此進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)，能夠較快確定技術(shù)是否已經(jīng)過(guò)了成熟期。

2、微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，其基本原理是作為燃料的有機(jī)物在厭氧陽(yáng)極室中被產(chǎn)電微生物氧化，產(chǎn)生電子與質(zhì)子，其中電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽(yáng)極，通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成回路產(chǎn)生電流。而質(zhì)子通過(guò)隔膜到達(dá)陰極，與氧氣及電子反應(yīng)生成水。微生物燃料電池具有無(wú)污染、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為治理污染、開(kāi)發(fā)新能源方面的研究新熱點(diǎn)。

目前針對(duì)MFC專(zhuān)利領(lǐng)域的研究主要為專(zhuān)利趨勢(shì)分析、分類(lèi)號(hào)研究及檢索和專(zhuān)利申請(qǐng)狀況分析，但是針對(duì)MFC產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)的研究未見(jiàn)報(bào)道。

二、樣本構(gòu)成

1、檢索數(shù)據(jù)庫(kù)

使用的檢索系統(tǒng)為CNABS。

2、檢索關(guān)鍵詞及主要分類(lèi)號(hào)

關(guān)鍵詞：微生物、燃料電池、MFC

主要分類(lèi)號(hào)：分類(lèi)號(hào)： C02F、H01M

3、檢索結(jié)果

檢索截止日為2012年11月30日，經(jīng)過(guò)去除噪音及去除同樣的發(fā)明創(chuàng)造后，共獲取2000-2011年相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)182篇，作為主要統(tǒng)計(jì)分析樣本；2000年之前未見(jiàn)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)；2012年專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)不完全，僅作為背景分析，不納入統(tǒng)計(jì)分析樣本。

三、微生物燃料電池專(zhuān)利的分級(jí)和分類(lèi)

專(zhuān)利分級(jí)使用Altshuller發(fā)明的專(zhuān)利五級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)全面閱讀分析專(zhuān)利信息（權(quán)利要求書(shū)、說(shuō)明書(shū)及附圖、摘要）、確立標(biāo)志性專(zhuān)利、縱向比較等步驟而得出具體的分級(jí)；專(zhuān)利分類(lèi)中關(guān)注Darrell Mann的專(zhuān)利考察模式中重點(diǎn)考察的兩類(lèi)特殊的專(zhuān)利：降低成本的專(zhuān)利和彌補(bǔ)缺陷的專(zhuān)利，確定每份專(zhuān)利或申請(qǐng)所屬于的類(lèi)別，最后統(tǒng)計(jì)數(shù)量，擬合曲線(xiàn)，與分級(jí)過(guò)程可同步進(jìn)行。

1、專(zhuān)利信息分析與整理

在對(duì)微生物燃料電池進(jìn)行分級(jí)和分類(lèi)前，首先通過(guò)對(duì)專(zhuān)業(yè)背景資料和專(zhuān)利信息的閱讀，對(duì)微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展有全面的了解，主要分析專(zhuān)利申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題，以及解決該問(wèn)題所采取的技術(shù)手段。通過(guò)閱讀分析，可以主觀(guān)的了解技術(shù)的繼承與發(fā)展脈絡(luò)，為分級(jí)作準(zhǔn)備。

在專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展中，微生物燃料電池的技術(shù)改進(jìn)主要為系統(tǒng)構(gòu)型的改變、電極材料的改進(jìn)、交換膜材料的變化及微生物的選用等。

微生物燃料電池在結(jié)構(gòu)上可以分為單室MFC和雙室MFC兩種。典型的雙室MFC由陽(yáng)極室、質(zhì)子交換膜和陰極室組成。單室MFC省去陰極室直接把質(zhì)子膜固定在陰極上，陰極室暴露在空氣中，空氣中的氧氣直接傳遞給陰極。二者各具有優(yōu)缺點(diǎn)，在專(zhuān)利發(fā)展中發(fā)明人對(duì)MFC構(gòu)型進(jìn)行不斷的調(diào)整，以克服在先技術(shù)的缺陷。例如申請(qǐng)?zhí)枮?0051001185.5（一種以有機(jī)廢水為燃料的單池式微生物電池）的專(zhuān)利為首個(gè)單池式微生物燃料電池；申請(qǐng)?zhí)枮?0051008661.8（生物反應(yīng)器——直接微生物燃料電池及其用途）的專(zhuān)利申請(qǐng)為雙室結(jié)構(gòu)的變形，即主要由筒狀的陽(yáng)極室、陰極室及將兩室中間隔開(kāi)的質(zhì)子交換膜構(gòu)成；申請(qǐng)?zhí)?0071014496.5（一種管式升流式空氣陰極微生物燃料電池）的專(zhuān)利，具備了微生物燃料電池構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了上升流活性碳陽(yáng)極和無(wú)膜空氣陰極于一體的，可以使兩電極間距離盡可能最小。

從MFC產(chǎn)電機(jī)理來(lái)看，陽(yáng)極作為產(chǎn)電微生物附著的載體，不僅影響產(chǎn)電微生物的附著量，同時(shí)還影響電子從微生物向陽(yáng)極的傳遞，因此早期很多研究都集中在陽(yáng)極材料的選擇和修飾上。陰極作為電子受體，主要是氧化態(tài)的物質(zhì)，近年在專(zhuān)利申請(qǐng)中也較為常見(jiàn)。例如申請(qǐng)?zhí)枮?0071019540.5的專(zhuān)利提供了一種鐵離子循環(huán)電極及其制備方法；申請(qǐng)?zhí)枮?0071019656.9的專(zhuān)利提供了一種含錳離子的微生物燃料電池陽(yáng)極的制備方法；申請(qǐng)?zhí)枮?0091004092.0的專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于微生物燃料電池的布陰極組件及其制備方法，該布陰極組件包括防水透氣層、布基材料層和導(dǎo)電催化層或者包括防水透氣布和導(dǎo)電催化層；申請(qǐng)?zhí)枮?0101001927.1的專(zhuān)利中使用碳化鎳鉬作為微生物燃料電池陽(yáng)極；申請(qǐng)?zhí)枮?0101022015.2（一種微型微生物燃料電池）的專(zhuān)利申請(qǐng)中的陽(yáng)極為金絲微電極陣列，空氣陰極為膜電極：質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層。

膜材料在MFC中的應(yīng)用主要為分離兩極室中的電解液，同時(shí)使陽(yáng)極室中的質(zhì)子通過(guò)，其中質(zhì)子交換膜被廣泛使用。但出于成本的考慮，去膜和采用其他膜對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行取代成為專(zhuān)利申請(qǐng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，例如：申請(qǐng)?zhí)枮?0051011421.3（燃料電池用菌紫質(zhì)質(zhì)子交換膜的制備方法）的專(zhuān)利采用微生物作為燃料電池中質(zhì)子交換膜，對(duì)環(huán)境不造成污染有效地降低了質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)成本；申請(qǐng)?zhí)枮?0081002795.3（一種微生物燃料電池及應(yīng)用）的專(zhuān)利采用的膜材料為離子交換膜，具有與傳統(tǒng)使用質(zhì)子交換膜MFC相當(dāng)甚至略高的輸出功率與產(chǎn)電性能，能很好的替代傳統(tǒng)使用質(zhì)子交換膜MFC，并可降低微生物燃料電池成本。

微生物的選擇影響著代謝通路，從而影響對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除和/或能量輸出功率。在微生物的選用上，根據(jù)不同的發(fā)明目的有產(chǎn)氣腸桿菌（申請(qǐng)?zhí)枮?0081002922.2）、海洋酵母（20091009798.8）、希瓦氏菌（申請(qǐng)?zhí)枮?0091014094.3和20091030567.7）、弗氏檸檬酸桿菌（20091019363.9）、蠟樣芽孢桿菌（20111034751.2）等等。

此外，在應(yīng)用的領(lǐng)域上，除了傳統(tǒng)的用于發(fā)電和廢水處理的微生物燃料電池之外，該技術(shù)擴(kuò)展到其它的廣大領(lǐng)域中，例如：申請(qǐng)?zhí)枮?0061003825.2（一種生態(tài)廁所）的專(zhuān)利申請(qǐng)利用微生物燃料電池理論，設(shè)計(jì)了糞便-微生物-質(zhì)子膜-電極構(gòu)成的“糞便電池”；申請(qǐng)?zhí)枮?0091009346.8的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種面向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的微生物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置在人體的橫結(jié)腸中，利用腸道微生物和內(nèi)容物產(chǎn)電，可為植入式醫(yī)療設(shè)備提供能源；申請(qǐng)?zhí)枮?0101014660.4（微生物燃料電池及安有該電池的發(fā)電裝置）的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種安有微生物燃料電池的發(fā)電裝置在稻田進(jìn)行微生物發(fā)電中的應(yīng)用；申請(qǐng)?zhí)枮?0111008632.6的專(zhuān)利申請(qǐng)中的微生物燃料電池能降解揮發(fā)性有機(jī)物，在處理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能的回收。

2、分級(jí)

Altshuller的專(zhuān)利五級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示：

經(jīng)過(guò)對(duì)專(zhuān)利信息的閱讀分析后，確立了標(biāo)志性專(zhuān)利：申請(qǐng)?zhí)枮?0810805（一種用于廢水處理的使用廢水和活性污泥的生物燃料電池）的專(zhuān)利為首個(gè)進(jìn)入中國(guó)的微生物燃料電池申請(qǐng)，至少用到微生物、電池、廢水處理三個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，采用交叉學(xué)科解決了產(chǎn)電的同時(shí)能夠進(jìn)行污水處理的的技術(shù)問(wèn)題，創(chuàng)造了一種新的系統(tǒng)（僅在專(zhuān)利領(lǐng)域考慮）。作為首個(gè)標(biāo)志性的專(zhuān)利，在專(zhuān)利等級(jí)分析時(shí)，定級(jí)較高，為4級(jí)；申請(qǐng)?zhí)枮?0051001185.5（一種以有機(jī)廢水為燃料的單池式微生物電池）的專(zhuān)利為首個(gè)單池式微生物燃料電池，無(wú)須外加動(dòng)力來(lái)提高陰極表面的氧氣含量，無(wú)須投加電子轉(zhuǎn)移介體，并且陽(yáng)極池?zé)o需氮?dú)獯得摼湍茌^好地維持厭氧狀態(tài)，使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)變，經(jīng)過(guò)綜合考慮，在專(zhuān)利等級(jí)分析時(shí)，定為3級(jí)。

對(duì)于其余的專(zhuān)利或申請(qǐng)進(jìn)行分級(jí)，也要經(jīng)過(guò)縱向比較，分析其所要解決的技術(shù)問(wèn)題及采用的技術(shù)手段，根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定級(jí)，例如：申請(qǐng)?zhí)枮?0061014499.1（可堆疊式單室微生物燃料電池）的專(zhuān)利公開(kāi)了一種可堆疊式單室微生物燃料電池，這種構(gòu)型雖然是首次出現(xiàn)，但是為通過(guò)數(shù)量的疊加來(lái)提高產(chǎn)電能力，量的變化更為明顯，在Altshuller的專(zhuān)利考察模式中通常將這類(lèi)專(zhuān)利定為一級(jí)。當(dāng)然，如果專(zhuān)利中出現(xiàn)其他的技術(shù)特征，協(xié)同使得該專(zhuān)利較之前的專(zhuān)利申請(qǐng)有質(zhì)的改變，分級(jí)可以再考慮；申請(qǐng)?zhí)枮?0091004203.8（一種微生物燃料電池及其制備方法和應(yīng)用）的專(zhuān)利將微生物燃料電池及電芬頓有效的結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，用到了全行業(yè)的知識(shí)，因此定位2級(jí)；申請(qǐng)?zhí)枮?0091007803.6（一種用于同步產(chǎn)電脫鹽的污水處理工藝及裝置）的專(zhuān)利利用微生物燃料電池的內(nèi)電流在處理污水、產(chǎn)電的同時(shí)脫鹽。使系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，用到了全行業(yè)的知識(shí)，因此定位2級(jí)；申請(qǐng)?zhí)枮?0101022182.0（一種植物——土壤微生物燃料電池系統(tǒng)）的專(zhuān)利申請(qǐng)中，使陽(yáng)極電極置于植物根部周?chē)耐寥纼?nèi)，陰極電極置于土壤表面。主要以植物光合作用生產(chǎn)并釋放到根部的有機(jī)質(zhì)為燃料，避免了產(chǎn)電微生物以污水中有機(jī)質(zhì)為燃料時(shí)，有機(jī)質(zhì)對(duì)產(chǎn)電微生物的抑制作用，從而導(dǎo)致產(chǎn)電效率低的問(wèn)題。系統(tǒng)發(fā)生變化，用到了全行業(yè)的知識(shí)，定位2級(jí)。

經(jīng)過(guò)對(duì)分析樣本的全面閱讀與分析后，最終將微生物燃料電池專(zhuān)利信息整理匯總?cè)绫?所示：

四、微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)

1、Altshullar專(zhuān)利考察模式

根據(jù)表2內(nèi)容，繪制專(zhuān)利數(shù)量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)和專(zhuān)利等級(jí)統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖1、圖2所示。

統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)拐點(diǎn)位置與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)位置如箭頭所示。根據(jù)曲線(xiàn)拐點(diǎn)可以預(yù)測(cè)，微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)目前已結(jié)束嬰兒期，處于快速成長(zhǎng)階段。由專(zhuān)利數(shù)量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)可知：技術(shù)系統(tǒng)較嬰兒期階段有較快的發(fā)展，研發(fā)數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)。而對(duì)于專(zhuān)利等級(jí)統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)的變化：當(dāng)微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)展軌道，數(shù)量增長(zhǎng)明顯，某個(gè)特定技術(shù)空間內(nèi)的專(zhuān)利密度增大，將會(huì)導(dǎo)致專(zhuān)利保護(hù)范圍的縮小，且會(huì)出現(xiàn)大部分針對(duì)單一要素進(jìn)行某一指標(biāo)的提高的專(zhuān)利技術(shù)，從而拉低專(zhuān)利等級(jí)。

2、Darrell Mann專(zhuān)利考察模式

在進(jìn)行專(zhuān)利數(shù)據(jù)整理時(shí)，發(fā)現(xiàn)2000-2011年間高校申請(qǐng)和科研院所申請(qǐng)量占總申請(qǐng)量的96%，從側(cè)面說(shuō)明微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)還處于研發(fā)階段，因?yàn)檫€沒(méi)有大規(guī)模投入使用，反映在Darrell Mann專(zhuān)利考察模式中，以降低成本為目的的專(zhuān)利申請(qǐng)會(huì)小于彌補(bǔ)技術(shù)缺陷的專(zhuān)利申請(qǐng)。

Darrell Mann專(zhuān)利考察模式主要應(yīng)用是快速判斷技術(shù)是否進(jìn)入成熟期。根據(jù)表2內(nèi)容，繪制彌補(bǔ)技術(shù)缺陷專(zhuān)利數(shù)量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)和降低成本專(zhuān)利數(shù)量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖4、圖5所示。

從圖4（a）和圖5（a）中可以看到在2009年到2010年間彌補(bǔ)技術(shù)缺陷專(zhuān)利數(shù)量和降低成本專(zhuān)利數(shù)量出現(xiàn)了明顯下滑，結(jié)合圖1（a）——專(zhuān)利數(shù)量統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，可以看到其原因?yàn)?010年專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量明顯低于2009年。這種情況的出現(xiàn)有以下的可能：（1）對(duì)專(zhuān)利申請(qǐng)的國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2009年進(jìn)入中國(guó)大陸的專(zhuān)利申請(qǐng)共7份，占2009年專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量總數(shù)的17.9%，而2010年其他國(guó)家和地區(qū)進(jìn)入中國(guó)大陸的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量為0，2011年同樣為0，說(shuō)明其他國(guó)家和地區(qū)出于技術(shù)發(fā)展或?qū)＠麘?zhàn)略等原因，于2010年起逐漸放棄我國(guó)的專(zhuān)利市場(chǎng)，使專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量受到影響，而這個(gè)原因很可能是由于遇到了產(chǎn)電能力難以大幅度提高的技術(shù)瓶頸以及生產(chǎn)成本的控制難以達(dá)到實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的目的；（2）微生物燃料電池領(lǐng)域的研究主力為高校和科研院所，2009年有24所高校及科研院所提交了專(zhuān)利申請(qǐng)，2010年僅有19所，研究室的科研方向轉(zhuǎn)向也部分影響了2010年的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量。

但是該曲線(xiàn)的下滑段并不影響曲線(xiàn)上升的總趨勢(shì)判斷，從圖4和圖5中可以看出，微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)還未進(jìn)入成熟期，結(jié)合對(duì)專(zhuān)利信息的理解和兩種分類(lèi)專(zhuān)利數(shù)量對(duì)比，應(yīng)該還處于成長(zhǎng)期當(dāng)中。

五、結(jié)論

進(jìn)入我國(guó)最早兩份關(guān)于微生物燃料電池的申請(qǐng)（申請(qǐng)?zhí)枺?0809995、00810805）均由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院于2000年遞交，之后才出現(xiàn)由我國(guó)高校興起的微生物燃料電池專(zhuān)利申請(qǐng)，在經(jīng)歷模仿、吸收后、開(kāi)始創(chuàng)新，因此微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)歷的嬰兒期比較短暫，進(jìn)入成長(zhǎng)期比較迅速。

經(jīng)過(guò)對(duì)專(zhuān)利信息的分析，同時(shí)結(jié)合期刊文獻(xiàn)公開(kāi)的關(guān)于微生物燃料電池的資料，認(rèn)為應(yīng)用Altshuller和Darrell Mann的專(zhuān)利考察模式對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)品技術(shù)的成熟度預(yù)測(cè)結(jié)果是可信的。在未來(lái)的發(fā)展中，微生物燃料電池技術(shù)將會(huì)不斷的成熟，成為污水處理領(lǐng)域的常用技術(shù)。

本文中應(yīng)用Altshuller和Darrell Mann的專(zhuān)利考察模式對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)行分析，完成對(duì)我國(guó)微生物燃料電池產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)行成熟度預(yù)測(cè)，研究表明：我國(guó)微生物燃料電池技術(shù)處于成長(zhǎng)期階段，有很大的發(fā)展空間，研究應(yīng)著力于局部創(chuàng)新和成本控制，推動(dòng)微生物燃料電池向更高的產(chǎn)電能力和更好的污染物處理能力發(fā)展，并擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。

在專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展中，微生物燃料電池的技術(shù)改進(jìn)主要為系統(tǒng)構(gòu)型的改變、電極材料的改進(jìn)、交換膜材料的變化及微生物的選用等。