//Logo Image
作者:黃冠穎(2007-10-02);推薦:許博爾、徐業良(2009-05-05)

固體氧化物燃料電池之密封材料技術專利檢索與分析報告

本文首先對固體氧化物燃料電池之密封材料技術進行專利檢索,以對其整體技術發展現況有所瞭解。接著將以專利分析手法來了解密封材料相關產品與技術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,以明白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.     密封材料技術專利檢索策略

本文針對密封材料的相關技術以專利檢索方法建置相關技術資料庫,方便研發人員參考其技術內容以進行研發工作。本次對密封材料專利檢索與分析的專利檢索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。

在密封材料的技術領域中,“seal”“filler”等詞彙為描繪為密封材料時最常使用的英文名稱,因此本研究將以這兩組關鍵字及其他相關變化詞,在美國專利資料庫中的各項欄位中檢索,檢索日期至2007815日止。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,之後再依據其專利技術分類碼(IPCUPC)將個別核心技術與各種類型的密封材料作一有效分類。

利用USPTODelphion專利資料庫交互檢索,並經由人工篩選後得到密封材料技術之美國公告專利共計96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96件密封材料技術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、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。

2.     密封材料技術專利件數分析

1為密封材料技術歷年專利件數分佈,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. 密封材料技術歷年專利件數

密封材料技術最早一篇專利申請於1988年,初步分析其書目資料,可發現該專利名稱為磷酸類氣體型燃料電池之密封方法(Method for gas sealing of phosphoric acid-type fuel cell),專利權人為Hirata; Ikuyuki。檢視此篇專利可以發現,其技術目標為在多孔物質之電池組成周圍用至少一個碳化硅和硅氮化物進行表面氧化處理,導致微粒在表面氧化反應與磷酸產生磷酸鹽化合物形成一種磷酸類型燃料電池的氣體。藉由申請日與公告日的比對,可以看出,密封材料技術專利與一般專利相似,其申請時間與核准公告時間約有2~3年的差距。

密封材料技術專利申請從1988年開始,1988~1997年間,專利申請數呈現少量但穩定的持續性產出;自1997年到2001年間,申請量已開始有逐年穩定成長的趨勢,在2001年申請量高達22件的水準,而自2002年後申請量開始大幅度的降低,同時因2006年以後申請案件許多尚未核准公告,因此無法被檢索出來。

密封材料技術專利公告件數的趨勢與申請趨勢相當(約晚2~3年),由於在1997年前的專利申請數量較少,所以專利公告數量也較少;但自1998年到2004年間,專利公告數量逐步穩定成長,於2004年公告數量獲得最高的15件,此後便有逐年下降之趨勢。

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。圖3為密封材料技術生命週期圖(以二年為計算單位),密封材料專利技術於1990年開始,專利數量與專利權人數開始急遽增加,專利數量還未能完全統計,比對圖3與圖2,整體技術於2005年時仍處於技術成長期,但由於2007年尚未結束,專利數量還未能完全統計,但對於近2年間整體技術依舊在成長期是無庸置疑的。

2. 技術生命週期圖示

1. 技術生命週期圖簡介

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

3. 密封材料專利技術生命週期圖

3.     密封材料專利國家別分析

2為密封材料專利技術所屬國件數分析表。由表2可看出,投入密封材料技術發展並在美國獲得專利之國家共有10國,總專利件數96件,專利權人共47位,其中美國所獲得專利件數佔總專利件數之51.04%,是投入研發密封材料技術重要國家之ㄧ。

由資料顯示,日本加拿大、與以色列在美國獲得密封材料技術之相關專利數量分別為第234名,彼此皆有一定的數量差距。與美日等技術先進國家比較,其餘各國發展均有相當之發展空間。

2. 專利所屬國件數分析表

所屬國

專利所屬國(中)

專利件數

專利權人數

件數百分比

US

美國

49

24

51.04%

JP

日本

22

8

22.9%

CA

加拿大

14

6

11.4%

IL

以色列

5

3

5.2%

DE

德國

1

1

1.04%

DK

丹麥

1

1

1.04%

TN

突尼西亞

1

1

1.04%

NL

荷蘭

1

1

1.04%

GB

英國

1

1

1.04%

None

未知

1

1

1.04%

合計

96

47

100%

4.     密封材料專利權人(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。

4.1 公司研發能力比較

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3為密封材料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以加權參數(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。密封材料技術相對研發能力值最高第一名為「Ballard Power Systems, Inc.(巴拉德動力)」公司,其相對研發能力值為100%,其次為「International Fuel Cells Corporation(國際燃料電池)」,其相對研發能力值為56%,兩者間之差距44%

2. 重要競爭公司相對研發能力比較表

公司名稱

相對研發能力值百分比

Ballard Power Systems, Inc.

100

International Fuel Cells Corporation

56

UTC Fuel Cell, LLC

20

Plug Power, Inc

16

The Portion of the term of this patent subsequent to January5,2010 has been disclaimed.

16

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha

15

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

12

Tigers Polymers Corporation

10

Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

9

Corning Incorporated

9

4.2 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,分析重要公司投入密封材料技術發展狀況,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分析,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,反之亦然。為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。引證率代表公司之每件專利產出被引用的次數,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。

3. 重要競爭公司相對研發能力詳細數據

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.

15

11

25

8

25

25

50

3.333

0.5

International Fuel Cells Corporation

7

4

13

13

0

24

24

3.429

0

UTC Fuel Cell, LLC

6

 4

12

6

1

5

6

1

0.167

Plug Power, Inc

4

3

5

7

0

5

5

1.25

0

The Portion of the term of this patent subsequent to January5,2010 has been disclaimed.

1

1

4

16

0

8

8

8

0

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha

9

1

14

6

0

8

8

0.111

1

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

2

2

14

15

0

5

5

2.5

0

Tigers Polymers Corporation

2

2

2

6

1

1

3

2

0.25

Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

4

2

4

5

2

0

2

0.5

1

Corning Incorporated

3

2

10

4

2

1

3

1

0.667

註:引證率及技術獨立性之平均值分別為0.950.11

觀察投入密封材料技術之重要公司專利詳細資料表(表5),可得知在本專利技術相關領域中,以「Ballard Power Systems, Inc.(巴拉德動力)」公司專利之產出最多(15件),佔專利總數之15.6%,為發展密封材料專利技術研發最活躍的公司之ㄧ。

巴拉德動力公司之專利產出共計15件,專利出產量高居第一,專利活動年期有11年,投入之發名人數25位,為本研究中投入研發資源較多之公司。其專利平均年齡為8年,屬於中期專利,而總引證次數為50(其中自我引證次數25次,被其他人引證次數25次)位居第一;引證率為3.333,遠高於本研究平均引證率0.95;技術獨立性則為0.5,也遠高於本研究平均技術獨立性0.11,表示該公司技術研發方向與其他市場研發方向差異性頗大且品質甚佳。

International Fuel Cells Corporation(國際燃料電池)」之專利產出共7件,專利產出數量居於第二,專利活動年期有4年,投入之發明人數13位,為目前投入較多資源進行研發的公司之一。其平均專利年齡13年,屬於晚期的專利,在技術研發能力方面,該公司的7件專利被引證總次數高達24次(其中自我引證次數0次,被其他人引證次數24次),引證率為3.429,遠高於本研究平均引證率0.95甚多,高居第一位,顯示該專利有可能為“核心技術專利”;而技術獨立性則為0,低於本研究平均技術獨立性0.11,表示該公司技術研發內容與其他競爭公司的技術差異性並不大。

Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha本田技研工業)」公司之專利產出有9件,專利活動年期1年,投入之發明人數14位,與巴拉德動力公司、國際燃料電池公司相同,均為目前投入較多資源的公司。,其專利被引證總次數達8次,(其中自我引證次數0次,被其他人引證次數8次)位居第三,而技術獨立性為1,遠高於平均值的0.11與「Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.(信越化學工業)」有限公司並居第一,表示此兩家公司技術的研發方向與其他市場研發方向差異性頗大。

4.3 重要競爭公司歷年專利件數分析

4為上述密封材料技術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研發領域之投入概況。由圖4可看出,密封材料技術專利的大部分是在2001年後所產出的,之前僅有少數公司有零星產出。近年產出量最高的公司為本田技研工業,自2003年開始產出第一件專利且數量有逐年增加的趨勢,其餘公司之產出則無此表現。

巴拉德動力公司於1994年開始產出第一件密封材料之相關專利,19951999年間無任何專利產出,雖2000年後開始有穩定的相關專利產出,但數量皆不高,後續動態仍可加以觀察;反觀M-C Power Corporation2000年前只有少數零星產量產出,之後皆無相關專利。

除巴拉德動力公司與本田技研工業公司此二間公司外,其餘如UTC燃料電池、信越化學工業公司、與Hydrogenice公司等也同樣於近年開始發展,並以1~2件的相關專利進行研發。

4. 重要競爭公司歷年專利件數圖

5.     密封材料專利之IPC分析

5.1 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200611公佈的第八版,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5

5. 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“H01M8”),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“H01M8/00”)。

(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“H01M8/04”)。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1/175介於1/171/18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。

6為密封材料技術專利之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。

6. 密封材料技術專利IPC範例

H01M8/02

說明

部之記號、名稱

H:電學

類之記號、名稱

01基本電器元件

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

8/02燃料電池;及其製造

一點次目之記號、名稱

零部件

H01M8/02應解讀成「零部件之結構零部件或製造方法

5.2 密封材料技術專利之IPC專利分類分析

7列出密封材料技術專利四階IPC分析前二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7中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US5,096,786號專利IPC分類H01M002/08H01M8/02、與H01M8/08,因此共有2專利件次屬於H01M8分類。由表7中可得知H01M8H01M2此二項分類為密封材料技術專利的重點領域,其中又以H01M8固體氧化物燃料電池;及其製造」專利件數明顯較多。

7. 密封材料技術專利四階IPC分析前二名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件次

H01M8

固體氧化物燃料電池;及其製造

146

H01M2

非活性部件之結構零部件或製造方法

31

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8列出密封材料技術專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知H01M8/02H01M002/08H01M8/24H01M2/08H01M008/02此五項分類為密封材料技術專利的重點領域,其中又以H01M8/02專利件數較多一些。

8. 密封材料技術專利五階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

H01M8/02

零部件之結構零部件或製造方法

70

H01M8/24

將燃料電池組合成電池組,例如組合電池

36

H01M2/08

非活性部件之結構零部件或製造方法之封裝材料

19

H01M2/04

燃料電池及其製造之輔助裝置或方法

12

H01M8/10

固態電解質之燃料電池

6

5.3 密封材料技術專利重要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5為密封材料技術專利重要IPC歷年專利件次分析。由圖中可以看出,H01M002/08非活性部件之結構零部件或製造方法之密封材料)此項技術之相關專利出現最早,第一篇專利出現於1987年,之後便斷斷續續有相關技術產出,自1997年在相關專利數量上開始出現成長,於2004年到8件。H01M8/02零部件之結構零部件或製造方法)在1993年才出現第一相關專利,至1997年間件數呈現短暫的負成長,到1998年開始蓬勃發展,並於2003年達到高峰的12件並維持兩年。

其他如H01M002/08(非活性部件之結構零部件或製造方法之密封材料)H01M8/24(將燃料電池組合成電池組,例如組合電池)H01M008/02(燃料電池及其製造之電極部件)雖在數量多寡的呈現不同,但此三項技術成長趨勢大略相同,各技術件數皆於20032004年間達到最大值,而於2005年後數量皆迅速下降。

而相對於其他技術,H01M2/08(電池箱、套或罩之密封材料)2005年後反而有增無減,於2006年達到最高值6件,而在1999年以前相關專利只有斷斷續續的少量產出。

5. 重要五階IPC專利技術歷年件次分析圖

5.4 密封材料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,由圖6可看出美國在重要五階IPC皆大幅領先其他國家。各國皆在此五種技術分類上有所涉略,而研發重點皆較著重於H01M8/02零部件之結構零部件或製造方法)此項技術分類上。其他技術而言,美國、日本和加拿大有較多的投入於(將燃料電池組合成電池組,例如組合電池)H01M002/08(非活性部件之結構零部件或製造方法之密封材料)此兩項技術領域。

6. 主要競爭國家重要IPC專利件次分析

7為競爭公司重要IPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力較為優異的公司在重要五階IPC的分布情形。大部分的公司均集中在H01M8/02零部件之結構零部件或製造方法),尤其是國際燃料電池與巴拉德動力公司兩者為領先集團,皆達到7件以上的專利技術量,但彼此間數量略有稍微差距。由圖表可觀察出,除了巴拉德動力公司在H01M8/24(將燃料電池組合成電池組,例如組合電池)此技術領域上有較高的數量外,其餘公司在其他的技術領域上皆無明顯突出,其最高數量皆不超過4件。而與其他公司比起來,信越化學工業有限公司在各技術領域的著墨最少。

7. 主要競爭公司重要IPC專利件次分析

6.     密封材料專利之UPC分析

6.1 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429的定義說明為「電學;電流產生裝置或方法」。

(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「429/13」的類號中,429代表「類」,而13代表針對該類細分的「次類」。

9為密封材料技術專利之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。

9. UPC編排架構內容示範

429/13

說明

類之記號、名稱

429電學;電流產生裝置或方法

次類之記號、名稱

13固體氧化物燃料電池之裝置或方法中的操作過程

429/13」應解讀成「電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池操作過程的方法或裝置

6.2 密封材料技術專利之UPC專利分類分析

10列出一階UPC分析前二名的技術分類及內容,可得知429501此二項分類為密封材料技術專利的重點領域。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11中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US5176966號專利其UPC分類為429/26429/29429/35429/40429/42,因此共有5專利件次屬於429類。

10. 密封材料技術專利主要UPC一階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

429

化學;電流產生裝置或方法

294

501

成分陶瓷的

35

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11列出二階UPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知電流產生裝置中;關於固體氧化物燃料電池的流體特性固體氧化物燃料電池流出物元件的焊接、鑄模與粘性、固體氧化物燃料電池的絕緣墊片或流體分佈與控制方法固體氧化物燃料電池的流體分配方法固體氧化物燃料電池的流體控制方法此五項分類為密封材料技術專利的重點領域。圖8為此五項分類技術歷年專利件次分析,由圖中觀察此五項分類技術中有4項技術專利件數於20002007年間成長趨勢曲線幾乎同步成長發展,可觀察出近年內在此些技術上必有一定程度的突破。

11. 密封材料技術專利主要UPC二階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

429/035

電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池的流體特性

71

429/036

電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池流出物元件的焊接、鑄模與粘性

51

429/034

電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的絕緣墊片或流體分佈與控制方法

34

429/038

電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的流體分配方法

30

429/039

電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的流體控制方法

20

8. 重要二階UPC專利技術歷年件次分析圖

6.3 密封材料技術專利競爭國家與公司重要UPC專利件次分析

藉由競爭競爭國家與公司重要UPC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9為競爭國家重要UPC專利件次分析,由圖可看出美與日本兩國為明顯的領先集團,五種技術領域皆有涉略。與其他國相比,美國與日本的技術在429/035(電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池的流體特性)429/036電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池流出物元件的焊接、鑄模與粘性)與429/034電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的絕緣墊片或流體分佈與控制方法)此三項技術分類上均較為突出,為研發重點領域;加拿大和以色列兩國也同樣平均涉略各個技術。

9. 競爭國家重要二階UPC專利件次分析

10為競爭公司重要UPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力較為優異的公司在主要二階UPC分類的專利分布情形。巴拉德動力公司於此五項技術分類皆有維持一定研發數量均衡的發展;而本田技研工業公司的研發結果除429/038電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的流體分配方法)和429/039電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池的流體控制方法)較少之外,其餘三項也有均衡的發展,且於429/035電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池的流體特性)技術項上領先各公司;國際燃料電池的狀況類似,也平均發展於此五項技術,只是數量較不如巴拉德動力公司與本田技研工業公司來的多;信越化學工業公司的則只於429/035429/036429/034有所發展,UTC燃料電池除429/039之外,其餘技術亦有少量的發展;整體來說,各公司於各技術領域均有所發展,而以429/035最為集中。

10. 競爭公司重要UPC專利件次分析

7.     密封材料技術之重要引證專利分析

12為密封材料技術專利交互引證前五名之列表,所謂「交互引證數」的定義即為96件專利中引證此篇專利的專利數。例如,US5,176,966的交互引證數為16,即是96件專利中有16件專利引證此件專利。需要強調的是交互引證數的比較並不一定公平,因為越早公告之專利,被引證的機率就越高,但是在客觀上仍可初步瞭解哪些專利是相對重要的。從這5件專利所引伸出之引用關係,可以看出這些專利其關連性可分為3個技術類群:

第一技術類群母專利包含US5,176,966US6,399,234US6,596,427)描述電化學燃料電池中多孔導電性板材的第一層與第二層的聚合物互相結合形成一個離子交換膜,並在帶有電極的板材表面之凹陷區域形成密封材料。此密封技術可由焊接、鑄模或其它適當的方式來製作,改善方法為用不同的材料來製作此密封材料。

第二技術類群母專利(US5,284,718US6,596,427)為描述燃料電池的密密封置可用類似襯墊的技術來製作。其密密封置為一個多孔導電性的板材,可由焊接、鑄模或其它適當的方法製作。此密封技術可保護和增加電化學電池的絕緣效果,其改善方法為用不同的材料來製作此板材。

第三技術類母專利(US6,165,634)是描述燃料電池中包含了多種構造層,而各層中皆有帶有電極的薄膜與流體傳輸石墨板,各層的板材彼此互相結合並覆蓋於各構造的外表面邊緣,可提供燃料電池更好的冷卻效果與密封功能。

11中以非淺藍底標示出來為上述5件重要引證母專利(橘底為母專利,淺藍底皆為子專利),這些專利分別帶領上述3個技術類群。針對此5篇重要母專利分析並整理包含專利標題、應用、目標、方法、特徵等重要資訊於附錄A中,供研究人員參考。

12. 密封材料技術專利交互引證前五名

專利號

交互引證數

自我引證

被他人引證

專利權人

申請日

公告日

US5176966

16

5

11

Ballard Power Systems Corporation

1990/11/19

1993/1/5

US5284718

8

0

8

The portion of the term of this patent subsequent to January 5,2010 has been disclaimed.&& Ballard Power Systems Corporation

1991/9/27

1994/2/8

US6165634

7

0

7

International Fuel Cells Corporation

1998/10/21

2000/12/26

US6399234

5

1

4

UTC Fuel Cell, LLC

2000/12/13

2002/6/4

US6596427

5

2

3

Ballard Power Systems Corporation

2000/11/6

2003/7/22

11. 密封材料技術之重要引證專利族譜圖

8.     結論與未來工作

本文完成了密封材料技術之美國公告專利檢索與分析,並繪製完成專利管理圖表。密封材料技術專利件數前兩名國家為美國與日本,合計佔總件數之73.9%(美國佔全體專利件數之51.04%)。重要競爭公司為國際燃料電池有線公司、加拿大的巴拉德動力公司、UTC燃料電池、本田技研工業公司與日本的插座力量公司。以應用領域而言經由二階UPC專利分類分析可發現,429/035電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池的流體特性)和429/036電流產生裝置中,固體氧化物燃料電池流出物元件的焊接、鑄模與粘性)為本研究之技術密集區(分別為1110件次)。

IPCUPC分析可以看出密封材料專利技術重點發展情形;電流產生裝置中,關於固體氧化物燃料電池的流體特性流出物元件的焊接、鑄模與粘性絕緣墊片或流體分佈與控制方法流體分配方法流體控制方法此五項分類技術於2001年開始其專利件數幾乎是同步向上發展。而此領域內研發能量較強的美國,其研發重點較著重於零部件之結構零部件或製造方法或裝置429/035此兩項技術分類上。

此外由密封材料技術之重要引證專利分析中,分別找出了多種密封材料的組合應用、量測方法的源頭(基礎)專利。同時本文針對源頭與基礎專利進行分析並整理相關重要技術資訊於附錄A中,供研究人員參考。

參考資料

楊賢政,白金薄膜密封材料應用於微流道的現地溫度量測,淡江大學機電工程研究所碩士論文,民89

附錄A. 重要引證母專利

US5176966

標題:Fuel cell membrane electrode and seal assembly

應用:This invention relates to a membrane electrode and seal assembly and, more particularly, to such an assembly as used in electrochemical fuel cells employing solid polymer ion exchange membranes.

目標:Up to a point, it is desirable to reduce the thickness of the membrane electrolyte as the electrolyte represents a substantial component of the internal electrical resistance of the fuel cell.

方法:In the preferred embodiment, the membrane is a solid polymer ion exchange membrane and the sheet material comprises carbon fiber paper. The catalyst is preferably included on at least a portion of the surface of each of the layers of sheet material facing the membrane. The sealant material preferably comprises silicon rubber. The preferred first method further comprises applying a mixture comprising a catalyst and polytetrafluoroethylene to the surface of each of the layers of sheet material facing the membrane. The preferred sealant material comprises silicon rubber.

特徵:

US5284718

標題:Fuel cell membrane electrode and seal assembly

應用:This invention relates to a membrane electrode and seal assembly and, more particularly, to a gasketed sealing assembly for use in electrochemical fuel cells employing solid polymer ion exchange membranes. In the preferred embodiment of the membrane and seal assembly for use in the humidification portion of the fuel cell stack, the membrane is a solid polymer electrolyte and the gaskets are formed of SANTOPRENE brand rubber.

目標:Up to a point, it is desirable to reduce the thickness of the membrane electrolyte since the electrolyte represents a substantial component of the internal electrical resistance of the fuel cell.

方法:The channels are preferably die cut in the sheet material, but other material removal techniques could be used as well, such as water jet machining and laser machining. In the preferred embodiment, the membrane is a solid polymer ion exchange membrane and the sheet material comprises carbon fiber paper. For the membrane electrode and seal assembly in the active or electricity-generating portion of the fuel cell stack, each of the layers of sheet material further includes a catalyst, preferably platinum, disposed on the central portion thereof facing the membrane, thereby rendering that portion of the sheet material electrochemically active. The layers of sheet material and membrane and the seals or gaskets are preferably bonded together to form a consolidated membrane electrode and seal assembly. Such an assembly comprises first and second flow field plates, a water permeable membrane interposed between the flow field plates, and two solid preformed gaskets.

特徵:

US6165634

標題:Fuel cell with improved sealing between individual membrane assemblies and plate assemblies

應用:This invention relates to electrochemical fuel cells, and deals more particularly with the sealing provided between a coolant flow-field plate and an adjacent component of the fuel cell, particularly with the membrane electrode assembly and/or an associated water separator plate.

目標:One object of the present invention is to provide a singe peripheral sealant coating that adheres to the porous graphite water transport plates and the porous graphite catalyst support plates, and which also adheres to the exchange membrane itself. These and other objects of the present invention can be achieved by providing a fuel cell stack wherein the individual cells in the stack include a membrane electrode assembly (MEA) wherein opposed catalyst layers are provided on opposite sides of the proton exchange membrane (PEM), and wherein opposed anode and cathode support plates, typically of porous graphite, are provided on opposite sides of this catalyst, and wherein said catalyst support plates contain a central area adjacent to the catalyst and peripheral areas to be sealed including a first seating surface.

方法:A fuel cell stack includes a plurality of fuel cells, each of which includes a membrane electrode assembly and a water transport plate, or a fluid flow plate fabricated from graphite. The combined reactant flow field plate/water transport plate is provided adjacent to the catalyst support plate and is also of porous graphite and includes a peripheral sealing area including a second seating surface. Use of such a silicone sealant provides an acceptable seal, but does not afford sufficient adhesion with the membrane electrode assembly itself, which is typically fabricated from NAFION. Alternatively the separator plate may be eliminated and two water transfer plates (WTP) may be used in a back to back configuration. Each WTP is fabricated with a sufficient bubble pressure that it provides the function of separating the fuel from the oxidant.

特徵:The catalyst support plate provided adjacent to the catalyst layer and the membrane itself presents some problem in prior art fuel cell configurations, but the same sealant coating material can also be provided around the edges of the membrane electrode assembly and associated water transport plate or plates to provide a structure that prevents leakage of reactants and coolant. Not only does this brand of fluoroelastomer have excellent adhesion with NAFION.TM., as used in connection with construction with the membrane electrode assembly MEA, but the FLUOROLAST.TM., or a similar fluoroelastomer has also been found to adhere very well to graphite.

US6399234

標題:Fuel cell stack assembly with edge seal

應用:The present invention relates to proton exchange membrane fuel cells and membrane electrode assemblies for fuel cells. More specifically, the present invention relates to improved construction of fuel cells to simplify and reduce the cost of production of such cells. In addition, the present invention relates to methods for bonding fuel cell components to one another as well as sealing of the fuel cell stack. This invention is generally directed to a novel fuel cell with an improved component bonding and sealing construction. However, the invention may also be used in a fuel cell that employs solid flow fields instead of a water transport plate.

目標:To avoid high seating loads, it is also desirable to eliminate stiff silicone-coated fiberglass gaskets in the fuel cell construction. In addition to the preferred embodiment disclosed above, the present invention generally provides for the employment of thermoplastic material for sealing and bonding of various components of a fuel cell. It is therefore an object of the present invention to provide a PEM fuel cell assembly which has good sealing characteristics and is inexpensive to manufacture. It is further an object of the present invention to provide a PEM fuel cell assembly which has more effective and reliable seals with less leaking. It is another object of the present invention to provide a PEM fuel cell which bonds and seals components with thermoplastic material rather than elastomers.

方法:The preferred embodiment of the improved PEM fuel cell assembly construction consists of a proton exchange membrane having a central area and peripheral area on first and second sides thereof. As will be discussed in detail below, various seal combinations can be carried out in accordance with the present invention. Alternatively, the assembly provided by this invention may be used with non-porous reactant flow field plates in place of the preferred combined water transport plate/reactant flow field. Since the thermoplastic material, such as hot melt glue, does not cure, it can be re-melted as necessary to achieve the thin film needed for a low voltage drop in a PEM fuel cell assembly. The use of thermoplastics, in accordance with the present invention, may specifically be employed to address a problem in the prior art associated with unitizing PEM electrode assemblies where soft foam rubber seals are required between every water transport plate and MEA.

特徵:In addition, it provides new advantages not found in currently available fuel cell assemblies, and overcomes many disadvantages of such currently available fuel cell assemblies. No leaks were observed when tested up to 25 psig. In addition, the use of thermoplastic films for bonding and sealing results in the use of more inert materials which reduces the likelihood of introducing contaminants to the proton exchange membrane. The thermoplastic material has further advantages in that it is readily commercially available in preform film configurations which can be cut into the desired gasket form for ease of installation. The seal maybe a molded configuration which contains ridges that increase the sealing pressures and thereby improves the effectiveness of the seal. If a leak is discovered during pressure testing, it can be easily repaired by re-melting the thermoplastic film 104 by subjecting the sub-stack assembly 100 to another lamination cycle. Also, if a sub-stack assembly 100 sustains damage, it can be easily be replaced with another sub-stack assembly 100 . In view of the foregoing the sub-stack assembly 100 of the present invention is advantageous over the prior art fuel cell assemblies. The formed elastomer seal 206 may be a molded configuration with contoured shapes that increase the local sealing pressures and thereby improves the effectiveness of the seal. Moreover, the removal of a machined seat on one of the water transport plate in contact with the MEA 210 provides a smoother surface of the fuel cell stack 200 for receipt in an external manifold seal to seal against because there are 50 percent fewer gaps to fill for sealing.

US6596427

標題:Encapsulating seals for electrochemical cell stacks and methods of sealing electrochemical cell stacks

應用:The present invention relates to electrochemical cell stacks comprising encapsulating seals in addition to individual cell seals. The present invention also relates to improved methods of manufacturing and sealing electrochemical cell stacks through the use of individual cell seals and an encapsulating seal.

目標:In the design and manufacture of PEM cells, it is desirable to make the individual cell elements thinner. An improved method is also provided for manufacturing an electrochemical cell stack.

方法:The stack comprises at least one membrane electrode assembly, a plurality (that is, two or more) of separator plates, at least one encapsulating seal disposed on at least one side of the cell stack, and at least one individual cell seal disposed between the membrane electrode assembly and the encapsulating seal. Alternatively or additionally, the electrochemical cell stack preferably comprises one or more coolant plates. One or both of the end plates preferably has at least one end plate groove formed in a major surface thereof, and the encapsulating seal preferably includes at least one end sealing portion configured to be accommodated within the end plate groove. The method comprises providing an individual cell seal around each membrane electrode assembly, arranging the membrane electrode assemblies and separator plates in an operative configuration in a stack, and forming an encapsulating seal on at least one side of the stack. The preferred method further comprises the step of preventing the encapsulating seal from contacting the membrane electrode assemblies while the encapsulating seal is being formed.

特徵:In a preferred embodiment, the individual cell seal is disposed in a cell sealing area of the membrane electrode assembly and made of a material such that the individual cell seal will prevent leakage of reactants from the membrane electrode assembly. The present improved encapsulating seal reduces or eliminates leakage, and provides electrical or thermal isolation and added protection against damage to the ion exchange membrane such as from drying. The encapsulating seal provides other advantages, such as applying a compressive force to the cell stack. Preferably, the cell sealing area is free of electrocatalyst and not within the electrochemically active area of the cell, and the individual cell seals are disposed in the cell sealing area and prevent leakage from the membrane electrode assemblies. In an alternate embodiment, the individual cell seals need not contact the MEAs or be fluid impermeable (or gas-tight) to prevent leakage. The use of an encapsulating seal may eliminate the need for time-consuming and expensive maintenance necessitated by the failure of individual cells. In this regard, such inflation and displacement may result in the individual cell seal not being in contact with the MEA, yet the cell seal may still prevent leakage and/or prevent contact by the encapsulating seal with the MEA. An appropriate seal material will form a seal having sufficient strength and resiliency to provide compressive force to the cell stack. One such alternative is to cast an epoxy based cell seal disposed on or about the MEA to prevent flashing of the seal material for the encapsulating seal through electrode layers of the MEA, and then to employ a high-temperature thermoplastic as the seal material for the encapsulating seal. A potential advantage of this alternative is preventing edge-shorts in MEAs.