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作者:洪永杰(2005-04-28);推薦:徐業良(2005-04-28)

質子交換膜型燃料電池膜電極組(MEA)專利地圖與專利分析

本文首先對質子交換膜型燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)技術與元件作一簡介,特別對其薄膜電極組(membrane electrode assembly, MEA)作較細節討論,以對其相關技術與元件有整體性瞭解。接著本文針對PEMFC薄膜電極組作專利分析,藉以瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點,並利用專利地圖(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。

1.     質子交換膜型燃料電池技術與元件簡介

1為一PEMFC構造示意圖,其基本組成元件包含電極(electrode)、電解質隔膜(electrolyte membrane)、與雙極板(bipolar plate)三個部分。整個燃料電池就是由這樣的核心單元(稱為單電池)串聯組成為較大功率的電池組,或稱為電池堆(stack)

1. PEMFC構造示意圖

電極是燃料氧化與氧化劑還原之電化學反應發生的場所,可分成陰極(cathode)與陽極(anode)兩部份,陰、陽電極又各有氣體擴散層與觸媒層兩層次級的結構元件。氣體擴散層的主要功能是讓反應氣體(燃料H2或氧化劑O2)均勻稱擴散進入觸媒層,也需具有使反應生成之水排出雙極板(亦稱流場板)流路的功能。觸媒層的功用則在於催化燃料電池中電化學反應的進行,目前PEMFC多以Pt/C(鉑∕碳)或Pt-Ru/C(鉑-釕∕碳)為催化劑。

PEMFC的電解質是一種固態高分子聚合物,所以又稱作「高分子電解質燃料電池(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)」,或「固態高分子燃料電池(solid polymer fuel cell, SPFC)」。目前PEMFC電解質隔膜多採用「聚全氟磺酸膜(polymerized perfluorosulfonic acid, PFSA)」,內部為網狀結構,提供原子級(atomic scale)的離子通道,其功用有二:(1)隔離H2O2,避免兩者接觸,以免兩極氣體互混而造成電池效能降低以及其他安全顧慮;(2)傳導H+OH-離子。

位於陰極與陽極外側之組件為雙極板,其功用包含:(1)提供良好的氣密性以分隔氧化劑與還原劑,避免氣體經由極板內部擴散產生越區(crossover)現象,造成燃料浪費甚至導致內部化學反應而燃燒;(2)藉由內部流場通道將反應氣體均勻地輸送至電極;(3)蒐集產生之電流。目前PEMFC多以帶有氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板。

2.     膜電極組(MEA)簡介

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。以下就MEA的構造、反應機制、與製作方式作一說明。

2.1 MEA的結構與反應機制

MEA的結構如圖2所示,包含陽極電極、陰極電極、和質子交換膜,細部構造說明如下。

2. MEA基本構造

(1)   陽極電極

陽極主要是由碳布(或碳紙)與觸媒所組成。通常是將石墨化的碳布(或碳紙),塗上一層鉑和碳粉混合的觸媒所製成。依照其中機制不同,可分為氣體擴散層(diffusion layer)和作用層(active layer)兩區域。氣体擴散層的材料通常為碳布(或碳紙)等多孔性材料,除了對觸媒提供支撐,與擴大觸媒的作用區域與面積外,並可將電子導入或導出,及提供氫分子到達反應區域的通道。當氫氣在穿過電極到達觸媒附近的過程時,需藉由擴散(diffusion)的方式移動,因此稱此區域為氣体擴散層。作用層是指MEA中發生電化學反應的地方,也就是電極中的觸媒部份,為了增加反應面積與減少鉑含量,PEMFC普遍採用碳黑作為觸媒載體(support)以提高電催化性與降低成本。在氫氣側的作用層中,氫氣會經由鉑觸媒的催化釋放出電子轉變為氫離子,電子經由碳布或碳紙導離,氫離子則穿過質子交換膜與氧離子反應。

(2)   陰極電極

陰極結構與陽極相同,也是由氣體擴散層和作用層所構成。陰極的氣體擴散層與陽極側一樣,都是使用碳布(或碳紙)所構成的,氧分子同樣也是藉由擴散方式移動到達觸媒附近,不同點在於陰極中的碳布(或碳紙)是將參與反應的電子導入,而非導離,此外還需將所生成的水導出。在陰極的作用層中,氧分子在吸收碳布(或碳紙)導入的電子後,與穿過質子交換膜的氫離子結合成水,這個反應過程較陽極慢,因此陰極的觸媒含量通常會較高。

(3)   質子交換膜

質子交換膜的基本功能在阻絕兩側電極,但能傳導氫離子完成反應。其結構基本上是多孔狀的固態,孔內含水,氫離子以遷移(migration)和擴散的方式移動至氧氣側。目前PEMFC最常使用的是由美國杜邦(DuPont)公司生產的Nafion質子交換膜,內部結構是由鐵氟龍(Polytetrafluoroethylene, PTFE)Perfluorosulfonic組成的全氟化高分子聚合體(polymerized perfluorosulfonic acid, PFSA),分子結構與鐵氟龍相似,具有體型網絡結構,其中有很多微孔(孔徑約1nm)。除了Nafion外,日本Asahi ChemicalAciplex-S膜、Asahi GlassFlemion膜、以及美國Dow ChemicalDow膜均以PFSA為主要材料,結構與Nafion膜相似。

如圖3所示,在電池反應時,MEA內部發生下列過程:(1)反應氣體在擴散層內擴散;(2)氣體在觸媒層內被催化劑吸附並發生電催化反應;(3)質子在固體電解質(質子交換膜)內傳遞到對側,同時電子經由外電路對外負載作功後移往陰極。

 

3. MEA反應機制示意圖[http://www.risoe.dk/afm/sofc/fuel/types_uk.htm]

2.2 MEA製作方式

目前MEA較為普遍的製作方式有三層與五層膜電極組兩種作法。所謂三層膜電極組是指直接以質子交換膜支撐觸媒層,非由氣體擴散層支撐,待膜電極完成後再以熱壓方式將氣體擴散層與之壓合成形,圖4為其結構示意圖。製作程序大致上可以分為以下幾項步驟進行:

(1)   質子交換膜之前處理(轉為Na+型態)

將質子交換膜先後浸泡於H2O2與稀硫酸溶液中,再以純水清洗數次將膜表面之有機與無機物移除。之後再將其浸泡於氫氧化鈉(NaOH)水溶液內以轉化膜的質子傳導(mass transfer)型態由H+Na+型態,藉以提高膜之耐熱性。

(2)   觸媒層漿料製作

先將質導劑(如Nafion溶液)、疏水劑(如聚四氟乙烯)、分散劑(如異丙醇)與水按一定比例混合成水溶液;然後將適量之鉑∕碳混合粉末連同磁石一併放進混合溶液瓶中,置於加熱攪拌器上混合均勻製成觸媒漿料。之後將觸媒漿料加入氫氧化鈉水溶液,置於超音波震盪器內震盪均勻。

(3)   膜電極製作

將觸媒漿料分幾次塗抹(漿塗、噴印、或網印均可)到已清洗過之聚四氟乙烯薄膜上,並加以烘乾。然後再將帶有觸媒層的聚四氟乙烯薄膜與經過前處理的質子交換膜在玻璃化溫度(150~160)下進行熱壓處理,如此便能將觸媒層移印到質子交換膜上。

(4)   膜電極處理(轉回H+型態)

將製作好之膜電極浸入稀硫酸溶液中約一小時,取出後以去離子水清洗,即可將電極轉型完成。

4. 三層膜電極組(3-layer MEA)結構示意圖

所謂五層膜電極組是指以氣體擴散層支撐觸媒層,之後再以熱壓方式將氣體擴散層與質子交換膜壓合的製備方式,圖5為其結構示意圖。製作程序大致上可以分為以下幾項步驟進行:

(1)   氣體擴散層之疏水處理

將裁好之碳布(或碳紙)多次浸入稀釋之聚四氟乙烯溶液中,取出蔭乾後再烘烤,使浸漬在碳布(或碳紙)中的聚四氟乙烯所含表面活性劑被除掉,同時使鐵氟龍熱熔燒結並均勻分散在碳布(或碳紙)纖維上,進而達到良好的疏水效果。

(2)   觸媒漿料製作

將質導劑(如Nafion溶液)、疏水劑(如聚四氟乙烯)、分散劑(如異丙醇)與水按一定比例混合成水溶液;然後將適量之鉑∕碳混合粉末連同磁石一併放進混合溶液瓶中,置於磁石加熱攪拌器上混合均勻製成觸媒漿料。

(3)   氣體擴散電極製作

利用漿塗、噴印、或網印等方法,將觸媒漿料均勻塗佈至疏水處理過之碳布(或碳紙)上,而成為氣體擴散電極。塗佈完畢後,置於通風櫥內晾乾再置入高溫爐內常壓烘乾即可。

5. 五層膜電極組(5-layer MEA)結構

3.     MEA技術專利檢索策略

本文專利檢索的地區定為美國地區之專利資料。重視全球市場的企業,在規劃其專利佈局時,皆會投入技術較為先進、市場需求性高的美國地區,因此美國專利資料庫收納全球最重要、完整的專利資料,藉由此區專利資料的檢索與研究,可使本計畫之專利分析成果同時掌握廣度與深度、即時性、與發展性。

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。由於各國專利權人所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,表1總結此次專利檢索之背景設定。

1. MEA美國專利檢索背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

美國

搜尋年份

不限

搜尋欄位

專利名稱(Title)、專利摘要(Abstract)、專利範圍(Claims)、習知技術與發明概要(SPEC)、國際專利分類號(H01M)

搜尋語言

英文

資料庫名稱

USPTO專利資料庫(主),Delphion專利資料庫(輔)

關鍵字

“membrane electrode assembly”, “MEA”, “proton exchange”, “polymer electrolyte”, “solid polymer”

檢索語法

(SPEC/“membrane electrode assembly” OR SPEC/“MEA”) AND (TTL/“proton exchange” OR ABST/“proton exchange” OR ACLM/“proton exchange” OR TTL/“polymer electrolyte” OR ABST/“polymer electrolyte” OR ACLM/“polymer electrolyte” OR TTL/“solid polymer” OR ABST/“solid polymer” OR ACLM/“solid polymer”) AND ICL/H01M$ AND ISD/1/1/1971->31/12/2004

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、競爭國家分析、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。

4.     MEA專利件數分析

6MEA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。

6. 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。

7與表2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。圖8MEA專利技術生命週期圖(以兩年為計算單位),比對圖8與圖7可推論MEA專利技術仍處於技術成長期。

7. 技術生命週期圖示

2. 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

8. MEA專利技術生命週期圖

5.     MEA專利國家別分析

3MEA專利所屬國件數分析表。由表3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膜交換上,待乾燥後可使兩者緊密結合。

3. 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%

6.     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。

6.1 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4MEA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4中第十名為加州理工學院(California Institute of Technology),是表中唯一的大學。

4. 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

6.2 重要競爭公司研發能力詳細數據分析

5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。

5. 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

觀察表5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。

6.3 重要競爭公司歷年專利件數分析

9MEA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9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模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。

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。

9. 重要競爭公司(專利數前五名)歷年專利件數圖

7.     MEA專利重要發明人分析

本節針對MEA專利技術領域內具專利產出之重要發明人進行相關分析,包括重要發明人之專利產出數量、任職公司資訊、與歷年研發專利產出之情形等。

在本研究檢索之MEA專利中共有516位發明人,表6列出重要發明人、任職公司、及個人專利產出件數。其中Wilkinson在三家不同公司產出共28MEA專利,是MEA專利件數最多的發明人,與Voss應屬Ballard Power Systems同一研發團隊(經比對1991~1996申請之專利,兩人皆同時掛名);其餘重要發明人皆來自Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.,比對個別所屬專利得知應屬同一研發團隊。圖10為重要發明人歷年專利件數分佈圖,幾位重要發明人專利產出都集中在2001年以後,早期MEA專利則集中在WilkinsonVoss兩位發明人,但Voss1999年以後即未獲得MEA領域之新專利。

6. 重要發明人分析

發明人

所屬公司

專利產出件數

Wilkinson; David P.

Ballard Power Systems, Inc., Daimler-Benz AG, Johnson Matthey Public Limited Company

28

Gyoten; Hisaaki

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

14

Yasumoto; Eiichi

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

12

Ohara; Hideo

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

12

Kanbara; Teruhisa

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

12

Hatoh; Kazuhito

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

12

Uchida; Makoto

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

11

Sugawara; Yasushi

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

11

Nishida; Kazufumi

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

9

Voss; Henry H.

Ballard Power Systems, Inc.Daimler-Benz AGJohnson Matthey Public Limited Company

7

Matsumoto; Toshihiro

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

7

10. 重要發明人歷年專利件數分佈

8.     MEA專利之IPC分析

8.1 IPC之意義

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。

IPC並非一成不變,而是會隨著技術演變進行調整,目前IPC最新版本是200011公佈的第七版,共有8個部、120個主類、628個次類、與大約69,000個目,編排架構說明如下:

(1)   (section)

「部」為IPC之主要分類大項,其所呈現的是發明專利領域之知識體系,部的名稱可視為是對該部內容之廣泛指示,且每個名稱後面都有一個主要細部展開項目之摘要類目。目前IPC將整個專利發明的知識分為8部,以大寫字母AH分別表示之,如表7

7. 8部的類目

類目名稱

A

生活必需品

B

處理操作;運輸

C

化學;冶金

D

纖維;紙

E

固定構造物

F

機械工程;照明;加熱;武器;爆破

G

物理學

H

電學

(2)   主類(class)

「主類」係由各部之下再細分為類,主要是針對該領域之發明技術作出更明確的定義與意涵。類的記號是在部的記號後加上兩位數字作為代表(如“H01”),而每一類名稱標示該類所包含的內容。

(3)   次類(subclass)

每類之下均包含一個或多個次類,其所指示的範圍比類更為特定與詳細,亦即次類比類更接近其所指涉之發明技術內涵。次類之記號為類的記號後面再加上一個大寫字母(如“H01M),其名稱則為能夠正確指示該次類內容的名詞。

(4)   (group)

次類之下則再細分為多個目,較次類更能顯示特定範圍的專利技術。目又分為主目與次目;其中主目是為定義在檢索目的上有用的技術主題範圍,因此其記號顯示格式為次類字母計號之後加上13位數字、斜線及數字00組成(如“H01M 8/00”)。

(5)   次目(subgroup)

次目是主目下的細分類,其記號是在目的記號後面(斜線後面)加上至少兩位不等於00的數字(如“H01M 8/12”)。由於IPC採用十進位分類,因此任何斜線後的第3位或後續數字應被視為是前行數字的十進位細分數字,如3/426介於3/423/43之間。次目之名稱,則是限定在主目的範圍之內,利於定義檢索的技術主題範圍,而名稱之前有顯示該層次位置的一個或數個圓點,在所有情形下,次目名稱必須以從屬並受限於其上主目之名稱的方式來解讀。

8MEA專利之IPC範例。每一個IPC均對應一個代表該分類的技術內容,IPC分析可對專利技術類別進行分析,包括IPC專利分類分析、IPC專利技術歷年件數分析、競爭國家分析與競爭公司分析等。利用IPC分析可以幫助分析者找出技術的主要領域和未開發領域,以作為研發方向的參考。

8. MEA專利IPC範例

H01M 8/12

說明

部之記號、名稱

H:電學

類之記號、名稱

01:基本電氣元件

次類之記號、名稱

M:用於直接轉變化學能為電能之方法或裝置,例如電池組

目之記號、名稱

8/00:燃料電池及其製造方式

一點次目之記號、名稱

固體電解質之燃料電池

二點次目之記號、名稱

‧‧高溫工作者,例如具有穩定ZrO2電解質者

H01M 8/12應解讀成「燃料電池及其製造方式中具有固體且穩定ZrO2電解質者」

8.2 MEA專利之IPC專利分類分析

9列出MEA專利四階IPC分析前三名的技術分類及內容。每件專利大多並非只有一個IPC四階分類號,因此表9中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US6,824,909號專利IPC分類為H01M8/02H01M8/10,因此共有2專利件次屬於H01M8分類。由表9中可得知H01M8H01M4H01M2此三項分類為MEA專利的重點領域,其中又以H01M8「燃料電池及其製造方式」專利件數明顯較多。

9. MEA專利四階IPC分析前三名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件次

H01M8

燃料電池及其製造方式

247

H01M4

用於直接轉變化學能為電能之方法或裝置,例如電池組之電極

85

H01M2

用於直接轉變化學能為電能之方法或裝置,例如非活性部件之結構零部件或製造方法

71

由於四階IPC之分類技術主題範圍較為粗略,因此將IPC向下延伸一階來作分類探討。表10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。

10. 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

8.3 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11MEA專利重要IPC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。

11. 重要五階IPC專利技術歷年件次分析圖

8.4 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12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。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。

12. 競爭國家重要IPC專利件次分析

16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。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PEMFCGeneral 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

13. 競爭公司重要IPC專利件次分析

9.MEA專利之UPC分析

9.1 UPC之意義

雖然目前多數國家之發明專利均依據國際專利分類表予以分類,但美國仍舊採行其獨有之「美國專利分類表(United States Patent Classification, UPC)」。主要原因是UPC較為詳細,且修訂頻率較高。相較於IPC69,000多個主目與次目,UPC約有150,000的次類;IPC每五年修訂一次,而UPC則是每兩年修訂一次,更能符合科技進步與時代變遷之需求。

UPC編排體制是以「類」與「次類」兩個層次予以編排,彼此上下相互隸屬,編排架構說明如下:

(1)   (class)

UPC的第一層次為「類」,在每類之前均有說明其主題的「標題」,並以一組13位數的號碼表示該類。在類的範圍中,除部份尚未完全修訂外,每一類均有其定義說明(但新式樣專利的類別則無說明)。此定義可以說明每一類的主題範圍,比簡短的標題更容易清楚表達該類所涵蓋的技術主題範圍,例如類號348的定義說明為「電視」、174的定義說明為「電器:導体與絕緣體」。

(2)   次類(subclass)

類之下再細分為次類,係針對該類主題範疇再予以劃分。次類同樣以號碼表示,且與類的號碼間隔有一條斜線。由於UPC採類與次類的二階分類方式,因此一個完整的UPC分類號應同時包括類與次類的號碼,例如在「102/301」的類號中,102代表「類」,而301代表針對該類細分的「次類」。

11MEA專利之UPC範例。與IPC分析相同,每一個UPC均對應一個代表該分類的技術內容,UPC分析可對專利技術類別進行分析,包括UPC專利分類分析、UPC專利技術歷年件數分析、競爭國家分析與競爭公司分析等。

11. UPC編排架構內容示範

429/30

說明

類之記號、名稱

429:電流產生裝置、方法與步驟

次類之記號、名稱

30:燃料電池及其組合之裝置或操作方式,如固態電解質

429/30」應解讀成「電流產生裝置中燃料電池之固態電解質」

9.2 MEA專利之UPC專利分類分析

12列出一階UPC分析前兩名的技術分類及內容,可得知429、與204此兩項分類為MEA專利的重點領域。與IPC相同,每件專利大多並非只有一個UPC一階分類號,因此表12中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US6,833,213號專利其UPC分類為429/39429/34,因此共有2專利件次屬於429分類。

12. MEA專利主要UPC一階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

429

電流產生裝置、方法與步驟

935

204

電子與波之能量

204

由於一階UPC之分類技術主題範圍較為粗略,因此將UPC向下延伸一階來作分類探討。表13列出二階UPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知固態電解質、密封元件、氣體散佈方式與裝置、氣體擴散層、觸媒電極結構等五項分類為MEA專利的重點領域。圖14為此五項分類歷年專利件次分析,五項分類專利件數幾乎是同步成長。值得注意的是429/34密封元件起步較晚,但近年專利件數最集中於此領域。

13. MEA專利主要UPC二階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

429/30

電流產生裝置中燃料電池之固態電解質

90

429/34

電流產生裝置中燃料電池之外殼、密封元件

84

429/38

電流產生裝置中燃料電池之氣體散佈方式與裝置

68

429/39

電流產生裝置中燃料電池之氣體散佈方式與裝置,如氣體擴散層

63

429/40

電流產生裝置中燃料電池之觸媒電極結構

57

14. 重要二階UPC專利技術歷年件次分析圖

9.3 MEA專利競爭國家與公司重要UPC專利件次分析

15為競爭國家重要UPC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專利主要二階UPC分類的專利分布情形。由圖中觀察可知,美國於五項分類皆與其他國家有較大幅度之領先,同時專利集中於429/34(外殼、密封元件),而加拿大與日本的專利件數則平均分布於五項分類

15. 競爭國家重要UPC專利件次分析

16為競爭公司重要UPC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二階UPC分類的專利分布情形。Ballard Power Systems於此五項分類之研發結果皆領先其他公司,同時專利件數較集中於429/30(固態電解質)。其餘公司之專利技術發展還算平均。

16. 競爭公司重要UPC專利件次分析

9.     結論與未來工作

本文完成了MEA之美國公告專利檢索與分析,並繪製完成基本管理圖表。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。以應用領域而言,經由二階UPC專利分類分析可發現,429/30(燃料電池之固態電解質)為本研究之技術密集區(90件次),其次為429/34(外殼、密封元件)有84件次。

IPCUPC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(圖17),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。

17. 重要競爭公司投入密封技術領域研發之年代表

本研究後續將針對MEA於電池組裝時相關密封技術,包含密封零組件的構造及製作、密封程序等進行細部專利技術分析,希望從中歸納出重要的專利技術族群、技術/功效矩陣表、技術分類魚骨圖及代表性專利之技術摘要報告,以提供研發人員參考。

參考資料

黃鎮江,燃料電池,民92,全華科技圖書。

詹世弘等合著,燃料電池:新世紀能源,民92,滄海書局。

陳達仁、黃慕萱,專利資訊與專利檢索,民91,文華圖書館管理資訊有限公司。

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。

鄭凱安、馬仁宏、林殿琪、黃郁棻、劉瑄儀,量子光點應用專利地圖與分析,民92,行政院國家科學委員會科學技術資料中心。