未來,燃料電池車

電動車是汽車產業當前最熱門的議題之一,電動車不可或缺的「電池」,以鋰電池為主流,其關鍵的正極材料,成分中的鈷是相當稀少的資源,未來「鈷」若出現供不應求的情況,也將連帶影響到電動車的出貨。但汽車大廠豐田 (TOYOTA) 給了市場不同的方向:Mirai,源自日文的「未来」,起源於豐田在2013年東京車展中首度亮相的燃料電池車FCV (Fuel Cell Vehicle) 1,利用氫和氧的化學反應來發電,進而產生動力。相較於傳統的燃油車,燃料電池車沒有汽油發動機、變速器等機構,而是透過稱作FC Stack的配置:由電動機、動力控制單元及高壓縮氫氣罐所組成的系統來驅動,「水」是從排氣管所排放的唯一物質。不只是豐田汽車,日產、福特、通用、現代、戴姆勒、雷諾、起亞等汽車公司均投入了燃料電池車的研發行列中2

 

圖片來源:Green Car Congress

 

為了一睹「未來」,筆者找出燃料電池車(或氫動力車)的相關專利,透過專利大數據的分析,為各位呈現出燃料電池車的全球分布情況。利用德溫特專利資料庫  Derwent Innovation 鎖定燃料電池或氫能源汽車的相關專利,並利用德溫特世界專利索引(DWPI)中的特殊欄位(技術創新點、用途、改良點、技術聚焦…)來補強檢索結果。全球燃料電池車約有11萬件相關專利(將近4萬個DWPI專利家族)。

 

誰最積極佈局燃料電池專利?

 

燃料電池車25大專利申請人

 

基於專利數量統計前五大專利申請人,有三家來自日本的車廠、一家韓國車廠及一家美國車廠,日本的豐田汽車擁有超過2萬件與燃料電池或氫能源汽車相關的專利排名全球第一,顯示豐田不僅是在燃料電池車商業化領先同業,其龐大的專利組合也為自身的燃料電池車市場挖出「技術護城河」;專利數量排名第二的是同樣成功將燃料電池車商業化的韓國現代汽車集團,擁有超過1萬件專利。而從25大主要專利申請人的所屬國家來看,超過半數 (15家) 來自於日本,其次為德國 (3家) 、韓國 (3家) 及美國 (3家) ,和加拿大 (1家) 的巴拉德動力公司,是質子交換膜燃料電池技術的領導廠商。

 

專利申請相當昂貴,從投資的角度來看,假設每件專利用1萬美金的專利申請費用(這樣還算低估了)來計算投資成本,豐田汽車及現代汽車分別投入了1-2億美金在布局相關專利,前25大申請人至少投資450萬美金布局相關專利。

 

研發並非一路順遂

燃料電池車專利年表(公開年)2001-2018

 

與過去時常討論到的車聯網、人工智慧、虛擬實境等熱門科技議題一路上升的專利走勢不同,觀察燃料電池車專利年表,自2001年至2009年的持續成長,接下來便觀察到幾波專利量下滑的情況,接著又在2016年達到專利量的高點,而2017年再度小幅下滑。筆者從專利申請人提交專利申請的初衷來思考:當研發人員有創新的啟發或在現有技術上獲得突破,欲透過企業/組織內部提案提交專利申請,保護辛苦產出的研發心血。在通過IP部門的可專利性的評估後,進一步提交專利局申請專利。而逐年增加的專利數量也代表著創新週期循環的更快,更多的技術在企業內部通過可專利性的評估提交申請;同理,一旦研發人員在技術上遇到瓶頸,無法產出新的成果,或無法在現有技術得到突破,創新週期的循環速度便可能減緩,導致該年的整體專利數量沒有成長甚至降低。當然,專利數量下降的可能原因還有很多,包括:從量到質的轉變、企業經營成本的考量… 但若從前述的角度去思考燃料電池幾波的專利數量下滑,筆者推測燃料電池研發之路整體來說,應面臨著許多瓶頸,且在許多研發環節可能出現「撞牆」,至今並未看到明顯上升的專利量。

 

近年市場在哪?專利地雷區

若將焦點放在近年,計算2011年後燃料電池車專利於各國家/地區分布的情形。前10大布局的國家/地區如下:

燃料電池車專利10大布局國家/地區(2011-2018)

 

若讀者有在關注電動車技術專利佈局全景,近年全球主要電動車專利市場在中國大陸,且多以主流的鋰電池驅動電動車為專利佈局重點。然而,由前述的分析顯示燃料電池車專利的主要專利申請人大多來自日本,自然反映在專利市場的排名。換言之,在日本發展燃料電池技術或欲商品化,將會遭遇專利持有人透過專利對競爭者做市場排他的商業挑戰,因此,日本也可以說是燃料電池車的專利地雷區。

而電動車專利主要市場的中國大陸,近年佈局燃料電池車專利的主要申請人包括:現代汽車 (1790)、豐田汽車 (1657)、通用汽車(723) 、日產汽車 (398)、本田汽車(335)、福特汽車(247) 、松下電機 (142) 、戴姆勒(79) 、電裝(77)等,本地的申請人則以上海合既得動氫機器公司近年有 54件相關專利最多。

台灣同樣也是燃料電池車專利選擇佈局的主要市場之一,細看專利內容,多有關於陰極電極、質子交換膜、催化劑、樹脂組成、壓力罐、電能系統及轉換器等主題上。在台灣佈局的專利申請人主要是日本企業,包括TORAY (37)、JFE STEEL(19)、ASAHI KASEI (19)、CENTRAL GLASS (14)、KURARAY (11)、LG CHEM (11)、NISSAN MOTOR (11)、YAMAHA HATSUDOKI (10)、SHOWA DENKO (10),本地申請人則以工研院近年有7件相關專利最多。

 

燃料電池車專利熱門技術主題

 

燃料電池車ThemeScape Map (2011-2018)

 

筆者透過德溫特專利檢索平台的專利內容圖像化工具ThemeScape分析,將2011-2018年間公開的6萬多件專利的內容進行分析,圖上的每一個點都代表一件專利,其排序是依據專利說明內容討論的相關聯程度,ThemeScape會分析出聚在一起的專利的說明書內容中「高頻率討論」的主題,而圖上的白色山峰代表著有較多的專利聚集於此,平原、海洋則代表較低密度的專利聚集於此。自2011年公開的燃料電池車的專利聚集出數個山峰,顯示出來的主題如下:

 

透過圖像化的方式,使用者能直覺的掌握到大量專利中的熱門主題,這個概念很類似於我們在閱讀一本書,不知道書中的哪一頁有我們感興趣的內容,便會瀏覽書上的「目錄」掌握各章節的主題,但我們也無法單看目錄去了解具體的內容,便需要更進一步去閱讀其中的內容。同理,並非看到ThemeScape分析出來的主題便能知道技術如何發展,而是用科學的方式切割出不同的聚類,便能快速鎖定感興趣的主題作深入的探討。以下將以兩大專利申請人 ─ 豐田及現代 ─ 為例,觀察其在燃料電池車技術的分佈。

 

豐田 (TOYOTA) 燃料電池車重點佈局技術

豐田是全球佈局最多燃料電池車專利的企業,幾乎在各個技術主題都能看到其佈局。

燃料電池車ThemeScape Map 豐田

 

細看其自2011年來的技術主題,集中在轉換器、電壓控制、燃料電池堆、儲存裝置、能源供應系統,雖然以系統配置為主,但在陰極電極材料、質子交換膜、壓力罐、壓力閥、熱交換器等技術,同樣有相當多的專利兼顧這些技術主題的佈局。豐田的燃料電池車專利內容高頻率的出現Hybrid汽車的應用,在自身多年的Hybrid汽車商用化的經驗支持下帶動燃料電池技術的發展,同步進行專利佈局。在此鎖定轉換器技術主題並選擇一篇高被引專利供讀者參考。該專利揭露了豐田在燃料電池轉換電流的技術,提供一種更可靠的電壓輸出控制的手段。

 

轉換器技術主題中的高被引專利

US7715217B2  TOYOTA JIDOSHA KK

德溫特加值標題:用於燃料電池電動車輛的直流 – 直流轉換器,基於檢測到的流過電感的電流值校正絕緣柵雙極型晶體管ON- OFF的佔空比

 

現代 (Hyundai) 燃料電池車重點佈局技術

2018年的CES展中,韓國的現代汽車集團的氫燃料電池車「NEXO」風光亮相,但其實早在2013年,現代汽車就曾推出燃料電池車ix35,成為最早量產燃料電池車的車廠之一。現代汽車是全球燃料電池車專利數量第二多的專利申請人,但細看自2011年來的專利佈局,現代汽車與豐田汽車的佈局重點則有所不同。

燃料電池車ThemeScape Map ●現代

 

燃料電池車ThemeScape Map 豐田 ●現代

 

從專利的角度來看,相較於豐田汽車,現代汽車在空氣引入技術主題有較多專利佈局,即使豐田整體的專利數量遠多於現代汽車,但現代汽車在空氣引入技術主題的專利卻明顯多於豐田,呈現出深藍色點多餘淺藍色點的情況。然而在其他技術主題,例如:陰極電極、質子交換膜、氫感測器等,就沒有豐田的專利多。

 

KR2012020686A HYUNDAI MOTOR ; KIA MOTORS

德溫特加值標題:電力系統於怠速中的啟動-停止方法,可應用於例如:燃料電池超級電容器Hybrid car  ,透過空氣和氫氣的供應作為操作燃料電池的手段

 

結論

 

圖片來源:資源エネルギー庁 燃料電池推進室3

 

日本幾乎可以說是在政府的支持下推動燃料電池車的發展,日本經濟產業省曾於2015年發布氫能社會發展的白皮書,具體的研究燃料電池各項應用的可能性,並將燃料電池技術視為提升交通運輸工具節能效率的重要手段之一 ; 日本新能源與産業技術綜合開發機構(NEDO)也積極推動燃料電池車及家用燃料電池的普及。以本期主題燃料電池車為例,日本預計從目前的1600台,到東京奧運舉辦的2020年前希望能達到2萬台,規劃到2040年達300萬- 600萬輛4。強大的新能源相關政策支持,給予企業更多的信心去發展各項產品與技術。這也顯示出為何日本的專利申請人在燃料電池車的專利分析中顯示出如此強勁的態勢,日本市場不但是燃料電池專利佈局最多的市場,相關企業也將自身強勢的技術在世界各主要市場中搶先卡位。

雖然專利多並不代表專利好,但再次強調,專利申請是很昂貴的,專利申請的數量反映了申請人投資多少在哪個技術主題?或是哪裡將是商業化的重點市場?專利絕非只是枯燥乏味的法律文件,專利申請人欲透過專利制度來保護其研發心血,並在專利說明書揭露其研發內容,而透過將海量的專利數據進行結構化的切割(分類)與探勘(細看專利內容),不僅適用於IP從業人員,對相關議題感興趣的讀者們,都能利用這些資訊輔助您判斷趨勢及方向。

 

 

附註:

1 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B1%90%E7%94%B0Mirai

2 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AB%E5%8B%95%E5%8A%9B%E6%B1%BD%E8%BB%8A

http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/nenryodenchi_fukyu/pdf/001_04_01.pdf

4 http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100889.html