微型燃料電池研發策略之專利佈局

導讀
根據國際電工委員會(IEC)的定義,燃料電池系統產生一直流電(DC)輸出不超過60V及240W者皆歸類為微型燃料電池。一般可攜式電子設備只需要0.5W到20W,因此在物聯網的帶動趨勢下,輸出功率小於100W的微型燃料電池可供應的電力市場相當大。本文針對微型燃料電池美國專利(含申請案),共計209件進行研讀,歸納出專利的技術及功效分類,以專利數量、家族數、被引證數及引用非專利文獻數(NPR)進行專利佈局分析,分析結果可提供台灣未來研發策略之參考。
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一、 前言

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。

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。

二、 專利檢索

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

分類 CPC
薄膜電極組
(陽極/陰極,觸媒層, 氣體擴散層,質子交換膜)
H01M 4/86, H01M 4/8605, H01M 4/8636, H01M 4/8647, H01M 4/8663, H01M 2004/8678, H01M 4/8875, H01M 4/90, H01M 4/9075, H01M 4/92, H01M 4/921, H01M 4/923, H01M 4/925, H01M 4/926, H01M 4/8825, H01M 4/8828, H01M4/886, H01M 4/8842, H01M 4/8846, H01M 4/8853, H01M 4/8871, H01M 4/8857, H01M 4/8864, H01M 4/8878, H01M 4/8882, H01M4/8892, H01M 4/8896, H01M 4/88, H01M 4/8803, H01M 4/8807, H01M4/8817, H01M 4/8821, H01M 4/881, H01M 8/04291, H01M 8/1002, H01M 8/1004, H01M 8/1006, H01M 8/1009, H01M 8/1011, H01M 8/1013, H01M 8/1016, H01M 8/1018, H01M 8/102, H01M 8/1039, H01M 8/1041, H01M 8/1058, H01M 8/1065, H01M 8/1067, H01M 8/1069
電池組件(雙極板, 流場通道設計及控制, 系統/電池堆, 輔助測量/偵錯/控制調整) H01M 8/0202, H01M 8/0204, H01M 8/0206, H01M 8/0213, H01M 8/0215, H01M 8/0221, H01M 8/0223,H01M 8/023, H01M 8/0232, H01M 8/0234, H01M 8/0236, H01M 8/0239, H01M 8/0241, H01M 8/0247, H01M 8/025, H01M 8/0252, H01M 8/0254, H01M 8/0256, H01M 8/0258, H01M 8/026, H01M 8/0263, H01M 8/0265, H01M 8/04, H01M 8/04082, H01M 8/04089, H01M 8/04156, H01M 8/04186, H01M 8/04201, H01M 8/0267, H01M 8/0269, H01M 2/02, H01M 2/0202, H01M 2002/0205, H01M 2/0207, H01M 2/0217, H01M 2/022, H01M 2/0257, H01M 2/026, H01M 2/0267, H01M 2/027, H01M 2/0275, H01M 2/0277, H01M 2/0285, H01M 2/0287,H01M 2/0295, H01M 2002/0297, H01M 2/04, H01M 2/0404, H01M 2/0456, H01M 2/0478, H01M 2/0482, H01M 2/0486, H01M 2/0491, H01M 8/0271, H01M 8/0273, H01M 8/0276, H01M 8/028, H01M 8/0286, H01M 8/0289, H01M 8/0291, H01M 8/002, H01M 8/004, H01M 8/006, H01M 8/0297, H01M 8/10, H01M 8/1009, H01M 2008/1095, H01M 8/1097, H01M 8/22, Y02B 90/18/228, Y02E 60/50, Y02E 60/52, Y02E 60/521, Y02E 60/522, Y02E 60/523, H01M 8/04, H01M 8/04007, H01M 8/04014, H01M 8/04029, H01M 8/04037, H01M 8/04044, H01M 8/04052, H01M 8/04059, H01M 8/04067, H01M 8/04223, H01M 8/04261, H01M 8/04298, H01M 8/04313, H01M 8/0432, H01M 8/0438, H01M 8/0432, H01M 8/0438, H01M 8/0444, H01M 8/04492, H01M 8/04537, H01M 8/04664, H01M 8/04694, H01M 8/04701, H01M 8/04746, H01M 8/04791, H01M 8/04828, H01M 8/04858

三、 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

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。

表2 十大專利權人(整體) 研發強度分析

公司名稱 專利數(含申請) (A) 前引證(B) 後引證(C) 自我引證
(D)
引證率(B+C+D)/A 發明人數 平均專利年齡 活動年期 相對研發能力
Societe BIC 21 49 542 8 28.5 21 3 6 1.29
Apple Inc. 8 61 30 0 11.4 10 2 5 1.02
BlackBerry Limited 8 1 95 0 12.0 12 2 4 0.33
FIH (Hong Kong) Ltd 8 19 9 0 3.5 19 5 4 0.53
UltraCell, L.L.C. 7 43 923 0 138 10 7 6 1.79
Shenzhen Futaihong Pre.Ind. Co., Ltd. 6 1 11 0 2.0 10 3 4 0.21
Samsung 6 6 55 0 10.2 26 6 4 0.46
Motorola,Inc. 5 53 21 0 14.8 19 15 5 1.00
Hitachi, Ltd. 5 22 53 0 15.0 19 8 5 0.62
Toshiba K.K. 4 11 24 0 8.8 26 6 4 0.48

四、 專利佈局分析

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3 微型燃料電池專利技術分類

一階 二階
含氫儲存(T-1-1) 再充儲氫/反應生成/自行調節/溶解性/殼核/固體燃料(T-1-1-1)
氨儲存(T-1-2)
燃料盒/罐(T-1-3) 丟棄部件(T-1-3-1)
燃料過濾(T-1-3-2)
視窗/測量(T-1-3-3)
記憶存儲/認證/防篡改(T-1-3-4)
芯吸/連接器(T-1-3-5)
固體燃料儲存(T-1-3-6)
密封/透氣壁(T-1-3-7)
微流體/蒸汽/液體進料(T-1-4)
控制釋放(T-1-5)
壓力調節/輸送(T-1-6)

區塊二至區塊六

膜電極組(T-2) 觸媒(T-2-1)
高分子膜(T-2-2)
電池電極(T-2-3)
重組器(T-2-4)
FC組件/系統
(T-3)
流體增壓/分配/空氣供給淨化/感測/控制 (T-3-1)
高濃度進料傳輸(T-3-2)
通風冷卻/熱傳溫控/水傳輸(T-3-3)
燃料/廢水儲存(T-3-4)
控制/調節/接口(T-3-5)
層疊支撐/貼合(T-3-6)
層流誘發/無膜(T-3-7)
3D結構/MEMS加工(T-3-8)
柔性結構/電性接觸(T-3-9)
緊湊型/堆疊/折疊覆蓋/波紋型(T-3-10)
組件活化/定位/附著/拆卸 (T-3-11)
模塊整合/恢復(T-3-12)
充電器/適配器(T-3-13)
混合式電池(T-3-14)
電池蓋/(罐) /電池板/電路保持(T-3-15)
裝置與FC結合(T-4) 熱管理(T-4-1)
一體化框架/通信/指令/保護結構(T-4-2)
電池組/電池堆(T-4-3)
金屬-空氣電池/空氣電池(T-4-4)
氧化還原流動電池(T-4-5)
轉換器/振動器(T-4-6)
應用(T-5) 水發電(T-5-1)
控制FC操作(T-5-2)
製造/分銷儲氫(T-5-3)
照相機外殼(T-5-4)
超薄型CD-ROM(T-5-5)
發送可充電信息(T-5-6)
塑料電池為耐用外殼(T-5-7)
其他(T-6) 熱電模塊(T-6-1)
減震殼(T-6-2)
保護套(T-6-3)

表4 微型燃料電池專利功效分類

分類 功效 編號
裝置與FC結合(F-1) 緊湊/靈活自由/相容性高 F-1-1
減少整體尺寸/總重量/最小空間 F-1-2
散熱/熱交換/熱絕緣 F-1-3
確保電性連接 F-1-4
維持期望溫度/提高操作效率 F-1-5
降低壓力/釋放/防爆炸 F-1-6
環保/安全性/省電 F-1-7
電力交換/多軌電壓輸出 F-1-8
振動控制燃料流動改善電池性能 F-1-9
柔韌性 F-1-10
低溫環境操作/性能/壽命提高 F-1-11
具成本效益/方便/安全 F-1-12
防止接入燃料 F-1-13
FC組件/系統(F-2) 高燃料使用率/使用壽命延長 F-2-1
提高總體積能量密度 F-2-2
包裝/體積小/重量降低/輕/便攜 F-2-3
保持電路/按需/電力供應 F-2-4
最大燃料量/續航力 F-2-5
感應氣體消耗/生產/製造成本低 F-2-6
溫度調節/均勻/壓力控制 F-2-7
電池蓋/殼體保護/人性化使用 F-2-8
安裝工時及元件數量降低 F-2-9
電極/系統/組合性能提高 F-2-10
結構簡單/易拆卸/可區段活化 F-2-11
高容量/高功率密度/可(批)量產 F-2-12
穩定發電/供電/(高)功率輸出 F-2-13
適於各種環境和現場應用 F-2-14
控制流體分配/調節進料速度/防洩漏 F-2-15
易小型化/靈活/切換 F-2-16
視覺識別模塊尺寸 F-2-17
大表面積系統水合化 F-2-18
芯吸輸送/除水/廢水儲存 F-2-19
催化活性佳/耐久性/高熱穩定性/導電性提高/具成本效益 F-2-20
抑制晃動 F-2-21
高放電容量/發電效率 F-2-22
減少啟動電池時間 F-2-23
提醒用戶電池狀態 F-2-24
易於裝配/密封 F-2-25
淨化空氣呼吸 F-2-26
供給存儲系統(F-3) 便攜性/安全/大規模 F-3-1
均衡供應/防止回流 F-3-2
結構/製造簡單/尺寸小 F-3-3
無須額外能量/附加努力 F-3-4
有效熱交換/減少熱損/低耗能 F-3-5
瞬間/易於充電 F-3-6
觀察/測量燃料平移/晃動 F-3-7
避免潤濕/水淹/驅動檢測除水 F-3-8
液體燃料流動不受障礙 F-3-9
簡單直接氧化重組乙醇 F-3-10
燃料盒認證/防篡改 F-3-11
高濃度燃料/能量密度儲能 F-3-12
可再充燃料/更換 F-3-13
應用(F-4) 不影響服裝的紡織性質 F-4-1
有效排水 F-4-2
防掉落損壞/耐用/耐腐蝕 F-4-3
產氫成本比化石燃料低 F-4-4
短時間發電量增加 F-4-5
安全/方便/有效製造 F-4-6
保護電池/避免電子干擾/不受衝擊 F-4-7
易於集成/相容性高 F-4-8
提供用戶充電信息 F-4-9
其他(F-5) 單一半導體基材上製造 F-5-1

(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3 技術功效之申請案專利數分布

(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5 技術功效之申請案專利家族數分布

(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7 技術功效之申請案專利被引證數分布

(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9 技術功效之申請案專利引用NPR分布

五、 台灣研發策略之建議

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。

六、 結論

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。

參考文獻
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延伸閱讀