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作者:洪永杰(2005-09-26);推薦:徐業良(2005-09-26)

附註:本文發表於2005年燃料電池國際研討會,桃園,台灣,20059

質子交換膜型燃料電池膜電極組(MEA)-專利地圖與專利分析

摘要

今日使用的能源,多為石油、煤、天然氣等石化能源(Fossil Energy)或具放射性之核能,多年來由於無限制的開採利用,不僅使全球存量面臨即將用罄的時刻,其能源轉換過程所產生的有形與無形廢棄物,更嚴重影響地球生態環境,因此開發無污染之新能源,已成為世界各先進國家努力的目標。在尋求替代能源的過程中,燃料電池的相關研究始終不曾間斷,其中低溫型質子交換膜燃料電池(PEMFC)更是目前汽車與3C用途市場中替代能源的開發主力。MEAPEMFC的核心部份,電池主要的電化學反應都發生在此,因此MEA的性能好壞直接決定了PEMFC效能。因此本論文針對質子交換膜型燃料電池中之關鍵技術-膜電極組(MEA),從專利檢索的角度出發,藉由蒐集、分析相關之專利,瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點,同時對該領域內研究方向與技術有一整體性的認識,以期助於研究方向之導正,避免無意間落入他人專利陷阱、或觸犯他人專利等。

關鍵字:燃料電池、質子交換膜、膜電極。

Abstract

The main energy resources utilized today are fossil energy, such as petroleum, coal, natural gas, or radioactive nuclear energy. In recent years, unlimited extraction and use of fossil energy has not only exhausted the energy storage but also seriously affected the ecological balance of the earth. Therefore, developing pollution-free energy, such as renewable energy, has become the ultimate goal.

In this paper, we will search the patent analysis of a membrane electrode assembly in proton exchange membrane fuel cell. Through patent analysis, we hope to understand the trend and characteristic of related technologies. We also hope to provide a guide to the direction of the research in renewable energy, and lower the possibility of patent infringements. The output of the paper is a complete patent map.

Keywords: fuel cell, proton exchange membrane, membrane electrode assembly.

1.     前言

今日使用的能源,多為石油、煤、天然氣等石化能源(Fossil Energy)或具放射性之核能,多年來由於無限制的開採利用,不僅使全球存量面臨即將用罄的時刻,其能源轉換過程所產生的有形與無形廢棄物,更嚴重影響地球生態環境,因此開發無污染之新能源,如再生能源(或稱綠色能源)已成為為世界各先進國家努力的目標。在尋求替代能源的過程中,燃料電池的相關研究始終不曾間斷,其中低溫型質子交換膜燃料電池(PEMFC)更是目前汽車與3C用途市場中替代能源的開發主力。對PEMFC而言,將陽極、質子交換膜、與陰極結合成三明治結構的單一元件稱為膜電極組(MEA)MEAPEMFC的核心部份,電池主要的電化學反應都發生在此,因此MEA的性能好壞直接決定了PEMFC效能。

因此本論文針對質子交換膜型燃料電池中之關鍵技術-膜電極組(MEA),從專利檢索的角度出發,針對技術普及率較為成熟的美國地區進行專利檢索,藉以瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點。同時利用專利地圖(patent map)的製作,將專利資訊做最有效之組織分析,以了解整體產業環境之發展。同時針對現有技術其開發動向、運用手法與其達成效進行交叉分析,以期在舊有技術領域中看出可開發的新區域,藉以擬定技術研發與創新設計之切入點,建立有別於現有產品之市場與技術區隔。

2. MEA技術專利檢索策略

本文專利檢索中以“membrane electrode assembly”“MEA”為關鍵字,搭配及質子交換膜型燃料電池相關名稱(PEMFC, PEFC, SPFC),在專利名稱(Title)、摘要(Abstract)與專利申請範圍(Claim)中檢索,檢索日期至20041231止。由於各國專利權人申請之專利多在美國有對應之專利,因此初步檢索範圍限制在USPTO中已公告的專利。

利用USPTODelphion專利資料庫交互檢索,得到MEA之美國公告專利共計252件,後續分析皆以已確認之美國公告專利為專利分析範圍。以下即針對此252MEA之美國公告專利製作專利管理圖表。

所謂專利管理圖表即是初步專利書目資料的圖表陳列,其目的是能夠將所檢索出的專利作一簡單呈現,並提供爾後技術分析的初步參考。雖然管理圖表無法提供深一層的技術特徵,但是對於技術掌握與分佈可提供某種程度的了解。一般而言,管理圖表分析包括專利件數分析、生命週期曲線分析、競爭公司分析、發明人分析、國際專利分類(IPC)分析、與美國專利分類(UPC)分析等,將於以下各節分別討論。

3. MEA專利件數分析

1MEA歷年專利件數分佈,其中橫軸為申請日與公告日之時間軸,縱軸為專利件數。圖中藍色線代表以專利申請日分析,藉由申請日作分析,可以瞭解技術的萌芽時間;暗紅色線代表以專利公開日作分析,藉由公開日作分析可以得知最新的發展現況。

1. MEA歷年專利件數

MEA最早專利是申請於1988年,專利名稱為「氫氣∕鹵素燃料電池水管理系統(Hydrogen/halogen fuel cell with improved water management system)」,專利權人為美國的「聯合科技公司(United Technologies Corporation)」,其技術內容為加濕燃料氣體技術,避免因離子體微量溶解而使電化學反應生成之水具有微弱酸性,造成陰極側金屬氧化膜增厚而增加接觸電阻,降低燃料電池性能。

MEA專利申請件數自1996年開始大幅成長,2001年申請件數達60件,藉由申請日與公告日的比對可以看出,MEA專利與一般專利相似,其申請時間與核准公告時間約有3年的差距,2002年以後申請案件許多尚未核准公告,因此未被檢索出來。MEA專利核准件數則每年持續增加,2004年核准件數達60件。

2與表1說明專利技術生命週期圖之意義,比對專利件數與專利權人數,可以推論此專利技術是處於萌芽期、成長期、成熟期、或技術瓶頸期。

2. 技術生命週期圖示

1. 技術生命週期圖意義

階段

階段名稱

代表意義

第一階段

技術萌芽

廠商投入意願低,專利申請件數與專利權人數皆少

第二階段

技術成長

產業技術有突破或廠商對於市場價值有了認知,競相投入發展,專利申請量與專利權人數急遽上升

第三階段

技術成熟

廠商投資於研發的資源不再擴張,只剩少數繼續發展此類技術,且其他廠商進入此市場意願低,專利申請量與專利權人數成長逐漸減緩

第四、五階段

技術瓶頸

產業技術研發遇瓶頸難以突破或此類產業已過於成熟,專利申請量與專利權人數呈現負成長

3MEA專利技術生命週期圖(以兩年為計算單位),比對圖3與圖2可推論MEA專利技術仍處於技術成長期。

3. MEA專利技術生命週期圖

4. MEA專利國家別分析

2MEA專利所屬國件數分析表。由表2可看出,投入MEA技術發展並在美國獲得專利之國家共有11國,總專利件數252件,專利權人共149位,其中美國、加拿大、日本三國所獲得專利件數佔總專利件數之92%,是主導MEA技術之重要國家。

我國在美國獲得MEA之專利僅有1件,在MEA技術發展上應仍有相當大之空間。此專利名稱為「製作燃料電池膜電極組之方法(Method for manufacturing membrane electrode assembly of fuel cell)」,專利權人為工業技術研究院,技術內容為親水電極之製備方式,描述先將質子交換膜浸泡於醇類溶劑進行預膨脹,然後再將觸媒漿料塗抹於質子交換膜浸泡於醇類溶劑進行預膨脹,然後再將觸媒漿料塗抹於質子膜交換上,待乾燥後可使兩者緊密結合。

2. MEA專利所屬國件數分析表

所屬國

專利所屬國

專利件數

專利權人數

件數百分比

US

美國

132

50

52.4%

CA

加拿大

52

4

20.6%

JP

日本

48

13

19.0%

GB

英國

6

4

2.4%

DE

德國

5

3

2.0%

KR

南韓

3

2

1.2%

IT

義大利

2

1

0.8%

TW

台灣

1

1

0.4%

GB2

英格蘭

1

1

0.4%

FR

法國

1

1

0.4%

DK

丹麥

1

1

0.4%

合計

252

149

100.0%

5. MEA專利權人(公司)分析

專利權人分析係針對特定之競爭對手進行相關競爭指標分析,藉以深入了解競爭對手之動向與研發能力。

5.1公司相對研發能力比較

設定研發能力加權參數,計算技術競爭公司之「相對研發能力值」,可觀察各競爭公司研發能力之強弱。表3MEA技術競爭公司相對研發能力值比較表,表中相對研發能力值是沿用專利分析軟體“Patent Guider”預設之加權參數(專利件數加權參數為1.2、被引證分析加權參數為1.4、自我引證分析加權參數為0.9)來做計算。MEA技術相對研發能力值最高第一名為「巴拉德動力系統公司(Ballard Power Systems, Inc.),設定其相對研發能力值為100%,其次為「通用汽車公司(General Motors Corporation)」,其相對研發能力值為41%,兩者間之差距將近2.5倍,可見Ballard Power SystemsMEA專利領域佈局之領先地位。表3中第十名為加州理工學院(California Institute of Technology),是表中唯一的大學。

3. MEA競爭公司相對研發能力比較表(前十名)

公司名稱

相對研發能力值百分比

Ballard Power Systems, Inc.

100

General Motors Corporation

41

International Fuel Cells, LLC

28

The Dow Chemical Company

22

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha

21

Plug Power, Inc.

16

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

15

Motorola, Inc.

15

Johnson Matthey Public Limited Company

14

California Institute of Technology

12

5.2重要競爭公司研發能力詳細數據分析

4為利用專利件數、活動年期、發明人數、以及平均專利年齡等競爭指標,分析重要公司投入MEA之技術發展狀況,藉以顯示競爭公司之投入資源及有效掌握競爭環境之重要資訊。以下先就各指標名詞簡單介紹:

(1)   活動年期

觀察各競爭公司在本專案技術內有專利產出之活動期,進而可得知各公司投入本技術領域之研發時間。

(2)   發明人

競爭公司投入本研究技術研發之發明人數統計,透過競爭公司在本專案技術研發人員投入之多寡,以評析該公司對本技術之企圖心與競爭潛力。

(3)   平均專利年齡

將各專利權年齡總和除以專利件數所得之值。平均專利年齡越短,表示該公司於本專案技術內享有較長期之技術獨占性優勢。唯各國專利制度不盡相同,專利權期間也不相同,以美國專利權年限20年為例,若分析專案之平均專利年齡越短(例如3年),表示此專案之技術受專利權保護之時間將越長(還剩17年),享有較長期之技術獨占性優勢。

(4)   自我引證次數

本分析專案內公司引證自己公司之專利次數。

(5)   被其他人引證次數

本分析專案內公司之專利被其他公司引證之次數。

(6)   總引證次數

本分析專案內公司所擁有之專利自我引證次數加被其他人引證次數。

(7)   引證率

本分析專案內公司專利的總引證次數除以該公司專利件數的比值。引證率可用來衡量各競爭公司之專利產出品質,引證率越高的公司,表示該公司產出之專利平均被引用次數越多,顯示專利品質越高。一般評量先進公司之技術研發能力除可依專利件數多寡衡量外,引證率也是技術能力重要參考指標。利用引證率衡量公司之技術研發能力是屬於「質(quality)」的衡量指標,而專利產出件數則是「量(quantity)」的衡量指標。

(8)   技術獨立性

分析專案內公司引用自己公司專利的次數除以總引證次數之比值。技術獨立性表示公司技術研發內容與其他競爭公司的技術差異性。技術獨立性數值越高,表示該公司研發之技術獨特性較高(其研發路線較為獨立),同業間較少有公司追隨其技術研發,接近所謂的獨家技術;技術獨立性數值越低,表示該公司技術研發路線與其他競爭公司研發之技術內容相似程度較高,也較有技術侵權的可能性發生。

觀察表4可得知在MEA專利技術相關領域中,以Ballard Power Systems專利之產出最多(50件),佔專利總數之19.8%,為投入MEA專利技術研發最活躍的公司。Ballard Power SystemsMEA之技術研發共計有12個活動年期,投入之發明人高達104位,也是投入研發團隊最多的公司,平均專利年齡7年,屬於近期專利。Ballard Power Systems 50件專利被引證總次數高達108次(其中自我引證次數34次,被其他人引證次數74次),引證率為2.16,高於本研究平均引證率1.44;技術獨立性則為0.315,亦高於本研究平均技術獨立性0.03,表示其研發之技術較具獨立性,與市場技術差異性較大。

General Motors之專利產出共計17件,專利產出數量位居第三,專利活動年期有9年,投入之發明人數達24位,平均專利年齡7年,屬為近期專利。General Motors Corporation17件專利被引證總次數高達49次(其中自我引證次數17次,被其他人引證次數32次),引證率為2.88,遠高於平均引證率1.44;技術獨立性則為0.347,為表中最高者。

另外The Dow Chemical Company雖然專利件數不多(6件),但引證率高達4.5,顯示其專利品質不錯,值得詳細研究其所屬專利。

4. MEA相對研發能力前十名競爭公司之研發詳細數據

公司名稱

專利件數

活動年期

發明人數

平均專利年齡

自我引證次數

被其他人引證次數

總引證次數

引證率

技術獨立性

Ballard Power Systems, Inc.

50

12

104

7

34

74

108

2.16

0.315

General Motors Corporation

17

9

24

7

17

32

49

2.882

0.347

International Fuel Cells, LLC

11

5

19

7

6

26

32

2.909

0.188

The Dow Chemical Company

6

4

12

9

3

24

27

4.5

0.111

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha

10

7

27

6

0

20

20

2

0

Plug Power, Inc.

10

5

12

6

1

13

14

1.4

0.071

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

19

5

32

5

0

4

4

0.211

0

Motorola, Inc.

11

4

19

6

4

9

13

1.182

0.308

Johnson Matthey Public Limited Company

5

4

17

8

0

15

15

3

0

California Institute of Technology

4

3

11

6

2

12

14

3.5

0.143

註:所有專利引證率及技術獨立性之平均值分別為1.440.03

5.3重要競爭公司歷年專利件數分析

4MEA專利件數前五名之重要競爭公司歷年專利件數分析,可顯示主要競爭公司歷年在此一研發領域之投入概況。由圖4可看出,MEA專利產出件數最高的Ballard Power Systems公司,自1993年即有第一件專利產出並在2003年達到高峰(16件)。同時該公司於1993年推出全世界第一台以質子交換膜燃料電池為動力的車輛,這也是PEMFC技術實際在民生應用上的重要里程碑。

4. 重要競爭公司(專利數前五名)歷年專利件數圖

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.MEA專利技術領域投入發展較慢,至2001年才有第一筆相關專利產出,之後開始大幅成長並於2004達到高峰,當年專利產出共8件。General MotorsMEA專利技術領域於1993年有第一筆相關專利產出,之後開始緩步成長並於2003達到高峰,當年專利產出共4件。其餘公司在1993年之後逐步有專利產出,雖然專利數量不若上述兩家公司來的多,但仍屬緩步成長。

6. MEA專利之IPC分析

國際專利分類(International Patent Class, IPC),是世界智慧財產組織(World Intellectual Property Organization, WIPO)制訂的一種分類系統,可提供各國專利文獻統一分類之依據,其中包括了部(section)、、主類(class)、次類(subclass)、主目(main group)、及次目(subgroup)五個階層,專利審查委員在閱讀專利說明書後,會依據該專利的技術特徵,賦予一個或多個的專利分類,以利分析者進行專利檢索。

6.1 MEA專利之IPC專利分類分析

5列出MEA專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知H01M8/10H01M8/4H01M4/86等五項分類為MEA專利的重點領域,其中又以H01M8/10「燃料電池其製造方式中之固體電解質燃料電池」、H01M8/4「燃料電池及其製造方式中之輔助裝置或方法」專利件數明顯較多。

5. MEA專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件數

H01M8/10

燃料電池及其製造方式中之固體電解質燃料電池

95

H01M8/4

燃料電池及其製造方式中之輔助裝置或方法,例如用於壓力控制者,用於流體循環者

73

H01M4/86

用於直接轉變化學能為電能之方法或裝置,例如電池組中用催化劑活化之惰性電極

40

H01M8/2

燃料電池及其製造零部件方式

30

H01M2/14

用於直接轉變化學能為電能之方法或裝置,例如電池組中非活性部件之結構零部件或製造方法,如隔板;薄膜;膜片;間隔元件

23

6.2 MEA專利重要IPC歷年專利件次分析

藉由IPC歷年專利件次分析,可以瞭解重要專利技術發展之時間趨勢。圖5MEA專利重要歷年專利件次分析。由圖中可以看出,H01M8/10H01M8/4相關專利出現最早,第一篇專利出現於1989年,後續專利數目亦不斷成長。H01M4/86H01M8/2相關專利出現則約晚7年,於1996年有第一篇專利產出,之後逐年增加。H01M2/14相關專利在2000年才出現,之後逐年增加。這個整體趨勢可以看出MEA專利技術重點,從最早整體構造及製造方式,發展到各種零件的設計,最後到各種零件的製造方法,顯示其逐漸產業化的趨勢。

5. 重要五階IPC專利技術歷年件次分析圖

6.3 MEA專利競爭國家與公司重要IPC專利件次分析

藉由競爭競爭國家與公司重要IPC專利件次分析,可瞭解各國(各公司)之技術差異性與研發重點方向。圖6為競爭國家重要IPC專利件次分析,比較專利數前三名之主要競爭國家(美國、加拿大、與日本)在MEA專利主要五階IPC分類的專利分布情形。

6. 競爭國家重要IPC專利件次分析

由圖中觀察可知,美國於H01M8/10H01M8/4、與H01M4/86這三項分類有較大幅度之領先,而加拿大的專利重點為H01M8/10H01M8/4此兩項分類,其研發成果主要來自於Ballard Power Systems,特別是在運輸設備的燃料引擎和供室內及室外使用的燃料電池系統之製造。日本則在H01M8/10專利數量顯著較多,其研發成果主要來自於MotorolaMatsushita Electric。在零件製造相關的H01M8/2H01M2/14項分類,三個國家專利件數差異不大。

7為競爭公司重要IPC專利件次分析,圖中顯示專利數前七名之重要公司在在上述主要五階IPC專利五項分類的專利分布情形。Ballard Power SystemsH01M8/10H01M8/4此兩項分類之研發成果大幅度領先其他公司,相關專利分別各有17件與22件。

7. 競爭公司重要IPC專利件次分析

Matsushita Electric公司在主要五階IPC分類中,除H01M4/86專利件數較少外,其餘專利技術發展平均。MotorolaH01M8/10H01M8/4項分類之專利件數較多,該公司所屬專利技術內容多著重研發3C商品用可攜式PEMFC

General MotorsH01M8/10H01M8/4H01M8/2三項分類之專利件數較多,該公司所屬專利技術內容多為質子交換膜型燃料電池車用動力系統之開發。

7.結論

本論文針對MEA之美國公告專利進行檢索與分析,並繪製完成專利管理圖表。MEA專利件數前三名之國家為美國、加拿大、與日本,合計佔總件數之92%。重要競爭公司為加拿大之Ballard Power System、美國的General Motors、與日本的Matsushita Electric

IPC分析可以看出MEA專利技術重點演變,從最早整體構造及製造方式,發展到各種零件的設計與製作技術,最後到各種零件系統整合,組裝與密封技術的改良,顯示其逐漸產業化的趨勢。密封元件相關專利發展較晚,但近年專利件數最集中於此領域,同時藉由重要專利權人針對密封技術領域投入研發之年代表來看,2001年開始各主要競爭公司皆有投入於此,惟整體專利數量不算太多。因此加強於此項技術領域的研發能量並適時進行專利佈局等工作,將為後續可供努力的目標之ㄧ。

8.參考文獻

簡國明、洪長春、吳典熹、王永銘、藍怡平,奈米二氧化鈦專利地圖與分析,民92,行政院國家科學委員會科學技術資料中心。