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想跟上全球微型燃料電池產業佈局?從這 209 件專利找到切入點

文/洪長春|國研院科政中心

近年來由於可攜式電子產品市場的蓬勃發展,同時講求機動便利、輕薄短小,微型燃料電池正可滿足這些產品的電力需求,因此創造出龐大的電池市場商機,加上目前市場上使用的二次電池性能仍有若干限制,例如:使用週期短(每隔數小時需充電)及充電時間長(4-6 小時以上),加上爆炸情事時有所聞等尚無法滿足消費者的使用,因此需要高能量密度的長效電池來滿足市場需求,造就了微型燃料電池發展並切入市場的一個機會。

現階段應用於可攜式電子產品的微型燃料電池,指的是 50 瓦以下的應用。從技術發展過程來看,微型燃料電池會先以外接型充電器產品優先導入市場,接著逐步與裝置的外表貼合,待技術成熟後才會與鋰電池般整合在可攜式電子產品內,目前可能的殺手級應用:一為筆記型電腦,其本身體積原較其他 3C 產品大,較不把電池尺寸列為第一考量;另一為手機應用,高能量密度的燃料電池可以延長使用時間,成為日、韓積極布局的應用市場。

圖/matthew venn @ Flickr

燃料電池技術在台灣屬於新興產業,目前仍屬於研發創新階段,無論從零組件材料之開發與應用,或是系統設計之整合與改良,均有相當大幅度之研究空間。從政府研究資訊系統(GRB)資料庫得知,國內學術機構從 89 年度開始從事微型燃料電池的基礎研究,目前最新統計有 40 件研究計畫投入,總經費已達 2 億 3,167 萬元,研究範圍涵蓋質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrace fuel cell, PEMFC)、固態氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell, SOFC)和直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell, DMFC)等。本研究針對可攜式電子裝置使用的微型燃料電池專利進行布局分析,期望提供台灣未來研發之參考。

原來已有這些微型燃料電池專利?

本研究針對可攜式裝置之微型燃料電池,採用專利 CPC(Cooperative patent classification)分類碼及關鍵字詞進行檢索。CPC 分類碼如附表1所示,關鍵字詞為(portable device* or portable ADJ1 device* or portable ADJ2 device*),兩者在 Title 或 abstract 或 claim 欄位進行檢索,截至 2015.02.10,美國授證專利計有 97 件,申請案計有 202 件,總計 299 件,扣除申請案授證後,總計 230 件。進一步快篩非本研究主題之專利,最後授證專利計有 92 件,申請案計有 117 件,總計 209 件。

表1:本研究專利檢索之 CPC 分類碼。圖片來源:科政中心

那些國家正在布局?全球專利趨勢分析

從各專利權人國家授證及申請案專利數分布進行主要競爭國家分析如附圖 1 所示:目前獲證專利權人國家中,美國排名第一(佔 41%),法國第二(佔 15%),日本第三(佔 14%),台灣及香港則並列第四(佔 6%);申請案專利權人國家中,仍以美國排名第一(佔 46%),日本(14%)則超過法國(7%)佔居第二,加拿大以 10 件之多(8%)佔居第三。整體合計數量來看,專利權人國家中以美國擁有 95 件最多,其次是日本(30 件)、法國(23 件)及加拿大(13 件),台灣合計有 10 件(佔居第五)比南韓多 3 件。

圖 1:各專利權人國家專利數分布。圖片來源:科政中心

重要廠商競爭部分,本研究從十大專利權人整體(授證及申請案)引證進行相對研發能力比較,主要指標包括專利數、前後引證、自我引證、發明人數、平均專利年齡及活動年期,並給於各指標之權重。分析結果如附表 2 所示:若以 Motorola,Inc. 的研發強度訂為 1,則相對研發強度超過 1 以上的公司有 Societe BIC、Apple Inc 及 UltraCell, L.L.C.,其中 UltraCell, L.L.C. 的專利引證率相當高(138),平均專利年齡也最大,是十大專利權人中相對研發強度最高者。

知己知彼,掌握先機!當前的技術分成哪六大面向?

本研究針對整體 209 件微型燃料電池專利進行分類。技術分類方面分為六大區塊,如附表 3 所示,功效部分同樣依照此六大區塊進行分類及編號,如附表 4 所示。本研究針對授證專利(92 件)及申請案(117 件)分別進行專利佈局分析。授證專利的布局分析可讓研發者瞭解目前技術發展的地雷區,監測未來是否有專利侵權的疑慮,並從中找出未來可布局的有利位置

申請案的布局分析可讓研發主管思考如何進行迴避設計,避免重覆投資其他公司正在申請的專利技術。本研究根據附表 3 所示六大區塊之技術分類及附表 4 列出的功效分類進行 209 件專利之閱讀及歸類,由於技術及功效的分類相當分散,本研究交叉分析針對較顯著的技術 / 功效區域進行探討:

表 2:十大專利權人(整體)研發強度分析。圖片來源:科政中心
表3 微型燃料電池專利技術分類。圖片來源:科政中心

 

表 4:微型燃料電池專利功效分類。圖片來源:科政中心

(一)技術功效之專利數分析

附圖 2 所示為微型燃料電池技術功效之獲證專利數分布情形,可看出所有技術功效之專利數相當少及發散,代表目前微型燃料電池發展並無主要熱點所在,呈現百家爭鳴的態勢。附圖 3 所示為申請案專利數分布情形,可看出所有技術功效之專利數同樣少及發散。比較獲證及申請案專利趨勢,可發現各種含氫儲存方式(T-1-1)、燃料盒內燃料的芯吸及填充連接(T-1-3-5)、分配、調節進料速度、防洩漏(F-2-15)及高效率電解質交換膜、觸媒(F-2-20)是主要的熱區所在。

圖 2:技術功效之獲證專利數分布。圖片來源:科政中心
圖 3:技術功效之申請案專利數分布。圖片來源:科政中心

(二)技術功效之家族數分析

從地域的保護範圍來看,保護的國家數量愈高,潛在的商品化及利潤也愈大,因此專利家族數可反映出經濟價值,同時專利的品質指數也會較高,本研究採用 Derwent 家族數(即除基礎專利外,各成員所主張的優先權需完全相同)。

附圖 4 顯示微型燃料電池技術功效之獲證專利家族數分布情形,可看出平均家族數最大的熱點區域是 Ultracell Corp 的智能燃料電池盒專利,平均家族數為 27。附圖 5 為微型燃料電池技術功效之申請案專利家族數分布情形,最大熱點區域是平均家族數(27)為 Hitachi Ltd 的燃料電池發電設備。比較獲證及申請案專利的平均家族數可看出,最有經濟價值的專利技術是從燃料儲存裝置,朝向燃料電池的發電整合系統,具有高功率輸出、穩定發電之功效。

圖 4:技術功效之獲證專利家族數分布。圖片來源:科政中心
圖 5:技術功效之申請案專利家族數分布。圖片來源:科政中心

(三)技術功效之被引證數分析

被引證(Forward citation)數代表評估發明的技術影響,例如跨領域或地域影響,代表著是專利的經濟重要性。因此,從專利被引證數分析可看出競爭對手之技術影響力。附圖 6 顯示微型燃料電池技術功效之獲證專利被引證數分布情形,可看出平均被引證數最大(180)為 Manhattan Scientifics, Inc. 的微型燃料電池設備及電池充電器。從獲證專利之被引證數分析,可看出技術影響力在微型燃料電池設備可進行批量生產或非車載源(再充填燃料站)之商業操作方法。

附圖 7 顯示微型燃料電池技術功效之申請案專利被引證數分布情形,可看出平均被引證數最大(42)為 Onpoint Technologies 等之混成燃料電池系統中保護 FC 的方法,可避免危及 FC 的性能。從申請案專利之被引證數分析,可看出技術影響力在電子裝置的 FC(含燃料盒)或 FC 混成再充電電池供電負載的安全性及性能方面。

圖 6:技術功效之獲證專利被引證數分布。圖片來源:科政中心
圖 7:技術功效之申請案專利被引證數分布。圖片來源:科政中心

(四)技術功效之 NPR 分析

NPR(Non-patent reference)為一種科學文獻(Scientific Publication)、會議議程(Conference Proceedings)、書、資料庫指引、技術手冊及標準描述等之參考文獻,引用 NPR 數愈多的專利代表著專利技術具有科學連結性。因此,NPR 分析可看出新技術的發展趨勢。

附圖 8 顯示微型燃料電池技術功效之獲證專利引用 NPR 分布情形,可看出平均引用 NPR 數最多(82)為 Illinois 大學的層流誘發動態傳導接口之電化學電池,它是一種無交換膜存在的質子傳導,可降低電池的製造成本。附圖 9 顯示微型燃料電池技術功效之申請案專利引用 NPR 分布情形,可看出申請案專利平均引用 NPR 數最多(79)為 Ultracell Corp 的燃料盒之連接器,此連接器是 Ultracell Corp 智能燃料電池盒專利的部分組件,可在沒有破壞燃料盒或外殼體下防止接入燃料,改善燃料盒和裝置之間的機械接口。其次平均引用 NPR 數(14)為 Du Pont 的無膜生物燃料電池,此種電池之電極是無使用貴重金屬,降低操作溫度,提供成本低、設計簡化和可持續性的優點。

在文獻上有許多酶的生物燃料電池的實例用於傳感器應用,其中在活體內需要使用低功率的電極。從獲證專利及申請案專利引用 NPR 數可看出,層流誘發動態傳導之 DMFC、氧化還原流動電池、流體增壓之 FC 系統和智能燃料電池盒之連接器及生物燃料電池是目前與科學連結性最為顯著的專利,也是微型燃料電池技術最新的研究發展趨勢。

圖 8:技術功效之獲證專利引用NPR分布。圖片來源:科政中心
圖 9:技術功效之申請案專利引用NPR分布。圖片來源:科政中心

在微型燃料電池的研發之路上,台灣能往哪裡去?

從微型燃料電池專利來看,目前仍處於初期布局階段,為滿足未來新市場的需求,重要廠商持續投入開發研究。

台灣在此領域的專利技術只有緯創資通的專利在驅動泵運送燃料、MEA(membrace electrode assembly)活化組件、熱傳遞效率之設計方面較具有競爭力,但在智能燃料儲存及安全的燃料供給方面,台灣尚不足國外技術。其他如奇美通訊在電子裝置之電池連接器和保持結構;鴻海精密在便攜式裝置電池的保護設計;宏達國際電池在鋅-空氣電池模塊等專利則較屬於應用型專利。不過從 GRB 研究分析可看出,台灣學術界在微型 DMFC 之觸媒電極、微通道熱流場設計、燃料輸送及電池組之流道板界面封裝、微機電製程等皆有研究基礎。建議台灣發展微型燃料電池之研發策略如下:

(一)安全的燃料供給及智能儲存設備開發

固態氫燃料及以各種方式,如再充儲、反應生成、自行調節、溶解性、殼核等方式供給是目前微型燃料電池專利的熱區所在,主要功效在安全、方便運送、最大存儲氫氣及效能方面;儲存設備則以燃料盒內燃料的芯吸及填充連接、分配、調節進料速度、防洩漏等為專利的熱區所在,尤其燃料盒的連接器組件部分是目前與科學連結性最為顯著的專利之一。從專利的平均家族數來看,最有經濟價值的專利技術是智能的燃料儲存裝置,朝向高功率輸出、穩定發電之燃料電池整合系統。台灣目前並無相關專利,未來可參考國外 Ultracell、Kurita Water 等公司之專利技術,並尋求合作的可能性。

(二)可批量生產的微型燃料電池充電器與支援可攜式設備填充少量 燃料之地域燃料站的網絡開發

微型燃料電池專利技術的影響力,從被引證數分析可看出是在設備進行批量生產或與再充填燃料站之商業操作方法。開發微型燃料電池充電器的批量生產技術及與再充填燃料站結合的商業運作模式,決定未來市場上充電器是否為消費者所接受,用於可攜式電子裝置的供電來源。Manhattan Scientifics 擁有微型燃料電池設備批量生產之專利及 Societe BIC 擁有可攜式燃料電池的商業模式和相關聯的系統及方法之專利。台灣未來若能開發出可批量生產的微型燃料電池充電器,並提供與支援可攜式設備填充少量燃料之地域燃料站的網絡,增加可攜式電子設備用戶之便利性,有效降低成本,提高消費者的使用誘因,市場接受度應會大幅提高。

(三)微型無薄膜燃料電池之研究

層流微通道燃料電池及生物燃料電池都是屬於無薄膜之燃料電池,從專利平均引用 NPR 數可看出是目前與科學連結性最為顯著的專利之一。多家公司擁有此類型專利,如美國 INI Power Systems 之層流誘發動態傳導接口之 DMFC,主要功效在降低製造成本、尺寸和重量,增加效率及延長電池壽命;DuPont 之無膜生物燃料電池,使用氧化還原酶組如漆酶(Laccase),抗壞血酸酯氧化酶(Ascorbate oxidase)和甲醛脫氫酶和甲酸酯脫氫酶,L- 乳酸酯脫氫酶(Actate dehydrogenase)等分別催化陰極的氧化物或陽極的還原物之電化學反應。台灣目前並無相關專利,也無廠商投入研究,學界方面僅有台大應力所之微型無薄膜燃料電池理論與實驗研究,值得投入專利佈局。

在全球產業中找到產品切入點

台灣燃料電池產業聚落已漸漸形成,但缺乏氫能燃料電池標準整合組織及未能適時反應產業之研發成果與政策面支援需求。雖然無法能成為燃料電池工業的全球要角,但可以在燃料電池子系統中找到利基產品切入。例如現階段可提供銷售的系統或子系統,包括亞太燃料電池公司和漢氫科技公司都可提供合金儲氫罐;下游廠商如奇鋐科技、思柏科技等提供 3C 產品的燃料電池供應。因此,面對現今可攜式電子產品的電力供應問題,台灣在現有微型燃料電池技術的基礎上,透過本研究分析結果可擬定未來之研發策略進行專利佈局。

  • 註:本文摘錄自國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心 104 年度研究報告:「物聯網儲電技術專利佈局與研發策略分析」之微型燃料電池部分。

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站微型燃料電池研發策略之專利佈局


參考文獻

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  • OECD(2009), Patent Statistics Manual, Patents as Statistical Indicators of Science and Technology.
  • 黃榮堂(2015), 穿戴式裝置的電源選擇, 北科大物聯網研發中心。
  • 蔡麗端(2015), DMFC -無限遨遊之野外監測電源,工研院材化所。
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