Duurzame Innovatie Brandstofcellen Opdrachtgever: Ministerie van Economische Zaken, dg O&I Colofon Dit rapport is opgesteld door ing. J.H. (Jan) Knecht DATUM 30 juni 2006 KENMERK STATUS KOB/2006/brandstofcellen Definitief 1
Cluster Kennisontwikkeling en Beleidsinteractie (KOB) KOB analyseert octrooi-informatie ter ondersteuning van beleidsontwikkeling op het gebied van innovatie en industrieel eigendom. Vragen die KOB ondermeer beantwoordt, zijn: Wie is binnen een bepaald technologiegebied actief en met welke technologie in het bijzonder? Welke bedrijven zijn (in potentie) elkaars concurrenten? En welke zijn (in potentie) elkaars partners? Wat is de positie van de BV Nederland ten opzichte van de belangrijkste concurrenten op de wereldmarkt? Welke zijn de belangrijkste Nederlandse spelers in een technologiegebied? Welke geografische concentraties (valleys) zijn er te identificeren en wie maken deel uit van die concentratie? Wat zijn opkomende technologiegebieden? Wat is de octrooistructuur van een land? Op welk gebied worden naar verhouding veel octrooien aangevraagd en op welk gebied minder? Hoe verhoudt deze situatie zich met die in de EU en die in Nederland? Door de combinatie van databases met bibliografische gegevens van octrooien, octrooiregisters en bronnen met andere (economische) gegevens is het mogelijk om analyses te maken die beleidsrelevante informatie verschaffen. 2
Samenvatting Dit rapport is het resultaat van een onderzoek naar aantallen octrooiaanvragen bij de WIPO en het EOB, op het technologiegebied van brandstofcellen. De periode van onderzoek is 1990 t/m 2003. Speciale aandacht wordt gegeven aan Nederlandse bedrijven en instellingen. Een brandstofcel, in tegenstelling tot een batterij, wordt gekenmerkt door het feit dat de voor de chemische processen benodigde verbindingen (over het algemeen een gasvormige brandstof) van buitenaf worden toegevoegd. De daardoor opgeleverde energie is continue, zolang de aanvoer van de brandstof dat ook is. Brandstofcellen kunnen worden ingedeeld naar soort elektrolyt, maar ook naar toepassingsgebied (bijv. stationair versus draagbaar). Naarmate in de volgende generaties producten de schaalverkleining en de verlaging van de bedrijfstemperaturen doorzet, vindt er ook een verschuiving plaats van industriële toepassingen (productie van energie voor het openbare net) naar verwarming van huishoudens en de transportwereld. In navolging van wat tot nu toe gebruikelijk is, zijn in dit onderzoek de brandstofcellen ingedeeld naar soort. Voor elke soort brandstofcel zijn de resultaten grafisch weergegeven en worden lijsten met de belangrijkste op deze terreinen opererende bedrijven gepresenteerd. Uit dit onderzoek blijkt dat sedert 1995 het aantal octrooiaanvragen omtrent brandstofcellen sterker gegroeid is dan de algemene trend. Sedert 1997 wordt zelfs een enorme groei doorgemaakt. Japan heeft een leidende positie, met de Verenigde Staten en Duitsland op de tweede en derde plaats. Samen hebben ze niet minder dan 83,2% van de aanvragen op hun conto staan. Canada staat op de vierde plaats. De belangstelling van de diverse Nederlandse ondernemingen lijkt voornamelijk uit te gaan naar twee typen brandstofcellen, de Molten Carbonate Fuel Cell (23 aanvragen) en de Solid Oxide Fuel Cell. Voor wat betreft de kennisinstellingen zien we de TU Delft actief met Molten Carbonate Fuel Cells en TNO met de Biofuel Cell. 3
4
Inhoudsopgave 1. Inleiding... 7 2. Brandstofcellen... 9 2.1 AFC Alkaline Fuel Cell... 13 2.2 DMFC Direct-Methanol Fuel Cell... 14 2.3 MCFC Molten Carbonate Fuel Cell... 15 2.4 PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell... 16 2.5 PEMFC Proton-Exchange Membrane Fuel Cell... 17 2.6 SOFC Solid Oxide Fuel Cell... 18 2.7 URFC Unitized Regenerative (Reversible) Fuel Cell... 19 2.8 Biofuel Cell... 20 3. Nederland en Brandstofcellen... 21 4. Conclusies... 23 Bijlage 1 Geraadpleegde literatuur... 24 Bijlage 2 Classificatiecodes; sleutelwoorden... 25 Bijlage 3 Landcodes... 26 Bijlage 4 Gebruikte afkortingen... 27 5
6
1. Inleiding Het onderhavige onderzoek geeft een schets van de octrooiaanvragen over de periode 1990 tot 2003 van het technologiegebied brandstofcellen. Het onderzoek is onderdeel van een serie over Duurzame Innovaties waarvan het eerste (Duurzame Innovaties, Introductie) de algemene inleiding vormt. Hierin zijn meer details over de methodologie opgenomen. De behandelde vragen zijn: Wat zijn de ontwikkelingen in termen van aantallen octrooiaanvragen? Wat is de octrooipositie van Nederlandse bedrijven en instellingen? Er zijn gegevens verzameld over aantallen WO-aanvragen uit de PCT-route en EP-aanvragen uit de Europese route. De gepresenteerde cijfers zijn de som van de WO- en de EP-aanvragen, waarbij dubbeltellingen zijn verwijderd. Hoofdstuk 2 presenteert per type brandstofcel een grafiek met de geïndexeerde groeipercentages (1990 = 100%), afgezet tegen de algemene trend in octrooiaanvragen. Vervolgens worden in een tabel de belangrijkste ondernemingen vermeld, met de landcode van hun vestigingsplaats en gerangschikt naar de absolute aantallen aanvragen. De geografische spreiding over de landen waarin bescherming is aangevraagd is in pie-charts weergegeven. Hoofdstuk 3 is gewijd aan de positie van Nederlandse bedrijven en instellingen op het gebied van brandstofcellen. Hoofdstuk 4 bevat de conclusies. 7
8
2. Brandstofcellen Een brandstofcel gebruikt extern toegevoegde chemische verbindingen (over het algemeen een gasvormige brandstofstroom van bijv. H 2, CO, CO 2 of Methanol) en kan daardoor energie blijven leveren zolang er aanvoer van brandstof is. Dit in tegenstelling tot een batterij. Deze laatste heeft een hoeveelheid energie die begrensd is door de hoeveelheid chemische reagentia die binnen de batterij is opgeslagen. Brandstofcellen bestaan uit een poreuze anode en kathode met daartussenin een elektrolytlaag. Ze worden vaak ingedeeld naar de aard van de gebruikte elektrolyt: Soort AFC DMFC MCFC PAFC PEM, PEFC of PEMFC (soms ook bekend onder SPFC, SPEFC of IEMFC) SOFC URFC Biofuel Cell Aard elektrolyt potassium-hydroxide (KOH) brandstofcel vaste polymeer brandstofcel gesmolten carbonaat brandstofcel fosforzuur brandstofcel vaste polymeer brandstofcel vast oxide brandstofcel vaste polymeer brandstofcel (reversibel) onderzoek naar materiaal met het beste rendement loopt nog. Sommige soorten werken bij kamertemperatuur of een iets hogere temperatuur (40-80 C) en zijn daardoor goed voor draagbare energie en voertuigen, terwijl andere soorten bij beduidend hogere temperaturen moeten werken (600-1000 C) om een goed rendement te verkrijgen. Deze laatste zijn meer geschikt voor grootschalige energieopwekking. Er bestaan brandstofcellen die regeneratief of reversibel zijn; dan produceren ze elektriciteit op basis van waterstof en zuurstof (fuel cell mode) of waterstof en zuurstof op basis van elektriciteit (electrolyzer mode). Figuur 1: De belangrijkste soorten brandstofcellen en hun elektrochemische reacties (Bron:NFCRC) 9
In de paragrafen 2.1 t/m 2.8 worden de verschillende soorten brandstofcellen behandeld, in alfabetische volgorde. Sommige zijn aan een vaste plek gebonden (bijv. voor de levering van elektriciteit aan het openbare net) en verkeren al in een precommerciële fase, terwijl andere meer mobiel zijn en bedoeld als huiscentrale of voor de transportwereld. Dit type bevindt zich veelal nog in een experimentele fase. Bedrijfszekerheid, rendement en milieuvriendelijkheid worden aan uitgebreide tests onderworpen, zowel in laboratoria als in het veld (stadsbussen). Aantallen aanvragen In Tabel 1 zijn de totale aantallen aanvragen (WO en EP) en verleningen (US) tussen 1990 en 2003 weergegeven, zowel in zijn algemeenheid als in het technologiegebied van de brandstofcellen. 1990-2003 WO EP (zonder Euro-PCT) US Totaal 917.240 1.089.955 696.723 Brandstofcellen 4.258 2.660 969 Tabel 1: Aantallen octrooi aanvragen en (US-) verleningen In Figuur 2 zijn de gevonden aantallen WO- en EP-aanvragen en de US-octrooien per jaar weergegeven. 1.000 900 800 700 Aantallen 600 500 400 300 200 100 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 WO-aanvragen EP-aanvragen (zonder Euro-PCT) US-verleningen Figuur 2. Trend in het aantal aanvragen/octrooien in Brandstofcellen In bovenstaande figuur is te zien dat het aantal (WO+EP)-aanvragen een behoorlijke stijging vertoont. De daling van de aantallen US-octrooien vanaf 1998 is toe te schrijven aan de aanvraagprocedure (zie ook de Introductie op Duurzame Innovaties ). Groei Figuur 3 geeft de algemene trend aan, zowel voor octrooiaanvragen in zijn algemeenheid, als voor brandstofcellen. Beide trendlijnen laten de groei in procenten van het totaal aan WO- en EPaanvragen zien, waarbij 1990 op 100 is gesteld. Uit deze figuur is duidelijk af te lezen dat sedert 1995 het aantal octrooiaanvragen omtrent brandstofcellen sterker is gegroeid dan de algemene trend daarin en dat er sedert 1997 zelfs een enorme groei wordt doorgemaakt (bijna 1.120% t.o.v. 1990). Doordat de gegevens voor 2003 nog niet volledig zijn, lijkt het alsof zich een kentering heeft voorgedaan, doch dat is niet het geval (zie voor een meer gedetailleerde uitleg de paragraaf over Onnauwkeurigheden in de resultaten in hoofdstuk 3: Methode, van de Introductie op Duurzame Innovaties). 10
1.200 1.000 Index (1990 = 100) 800 600 400 200 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) Brandstofcellen (algemeen) Figuur 3: Algemene trend octrooiaanvragen vs brandstofcellen (WO+EP) Er zijn veel ondernemingen actief, zowel in de ontwikkeling, het uittesten en de commercialisering van brandstofcellen. Onderstaand een overzicht van de grootste octrooiaanvragers (elk met 50 of meer aanvragen op hun naam en samen goed voor 1.433 aanvragen). Onderneming Landcode Type Brandstofcel AFC DMFC MCFC PAFC PEMFC SOFC URFC Biofuel Cell Totaal Siemens AG DE 4 23 27 6 56 48 1 165 Matsushita Electric Ind / Works Ltd JP 6 6 106 23 1 142 Ballard Power Systems Inc CA 30 3 7 73 6 2 121 Hewlett-Packard Development Corp US 13 10 17 14 28 31 1 114 Celanese Ventures GmbH DE 2 11 42 52 107 Honda Motor Co Ltd JP 9 16 66 15 1 107 UTC Fuel Cells Llc US 6 2 3 10 66 13 5 105 Du Pont de Nemours & Co US 2 21 2 8 45 2 1 81 Pemeas GmbH DE 10 32 34 76 DaimlerChrysler AG DE 16 8 5 32 6 3 70 General Motors Corp US 2 3 2 3 47 7 64 Nissan Motor Co Ltd JP 3 4 29 23 4 63 Toyota Jidosha KK JP 2 6 6 33 9 5 61 Delphi Technologies Inc US 51 5 56 Johnson Matthey Plc GB 5 6 31 9 51 Sony Corp JP 3 5 2 37 2 1 50 Tabel 2: De grootste octrooiaanvragers op het gebied van brandstofcellen (WO+EP) Eén van de grootste aanvragers, Ballard Power Systems Inc., is gevestigd in Canada en heeft 121 aanvragen ingediend in de jaren 1990 t/m 2003. De rest van de aanvragen is voornamelijk afkomstig uit Japan, de Verenigde Staten, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk. De geografische spreiding van de belangrijkste ondernemingen (met in totaal 3.093 aanvragen van de 3.563 uit het tijdvenster) is hieronder aangegeven. Het is duidelijk dat Japan (met 29,4%) een leidende positie heeft, met de Verenigde Staten (met 27,6%) en Duitsland (met 26,2%) op de tweede en derde plaats. Samen hebben ze 83,2% van de aanvragen op hun conto staan. Canada staat, met name dankzij Ballard Power Systems, op de vierde plaats. 11
US 27,6% DE 26,2% JP 29,4% CA 6,3% GB 3,7% Overig 6,8% CH 1,5% IT 1,1% FR 1,0% AU 0,9% DK 0,8% NL 0,4% TW 0,4% IL 0,3% RU 0,1% ZA 0,1% AT 0,1% ES 0,1% KR 0,1% FI 0,0% Figuur 4: Geografische spreiding grootste ondernemingen (WO+EP) De belangrijkste kennisinstellingen (met elk 10 of meer aanvragen) zijn weergegeven in tabel 3. Samen zijn ze goed voor 358 aanvragen van de 470. Kennisinstelling Landcode Type Brandstofcel AFC DMFC MCFC PAFC PEMFC SOFC URFC Biofuel Cell Totaal Forschungszentrum Jülich GmbH DE 4 22 13 4 13 25 81 ECN NL 7 2 16 10 13 48 Fraunhofer Ges Forschung DE 6 7 4 21 7 45 Univ Stuttgart DE 3 11 13 13 2 42 Univ California US 7 6 14 12 39 Commissariat Energie Atomique FR 3 5 4 20 2 34 California Inst of Technology US 10 6 10 2 28 Battelle Memorial Institute US 5 5 11 21 Alberta Research Council Inc CA 3 7 10 Nat Inst of Advanced Ind Sci & Technology JP 4 4 2 10 Tabel 3: De grootste kennisinstellingen op het gebied van brandstofcellen (WO+EP) Brandstofcellen zijn er in vele soorten en maten en ook de toepassingsgebieden per soort zijn divers, deels overlappend, deels exclusief. Per type brandstofcel is gekeken naar welke bedrijven uit welk land actief zijn. 12
2.1 AFC Alkaline Fuel Cell De alkaline fuel cell was de eerste soort brandstofcel en werd in de bemande ruimtevaart gebruikt. Het elektrolyt is een oplossing van potassium hydroxide (KOH). De brandstof is zuivere waterstof, omdat CO en CO 2 chemische reacties aangaan met het elektrolyt en het daarmee onbruikbaar maken. De bedrijfstemperatuur ligt rond de 80 0 C. 500 450 400 Index (1990 = 100) 350 300 250 200 150 100 50 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) AFC Figuur 5: Algemene trend octrooiaanvragen vs AFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Hewlett-Packard Development Corp US 13 ECN NL 7 Hydrogenics Corp CA 7 Int Fuel Cells Llc US 6 EFL Electric Fuel Ltd IL 5 Metallic Power Inc US 5 NGK Insulators Ltd JP 5 Reveo Inc US 5 Tabel 4: Ondernemingen met 5 of meer aanvragen (WO+EP) GB 5,8% CA 5,0% IL 3,6% DK 2,2% RU 2,2% TW 1,4% CH 1,4% US 41,0% NL 6,5% FR 7,9% DE 9,4% JP 13,7% Figuur 6: Geografische spreiding aanvragers AFC (WO+EP) 13
2.2 DMFC Direct-Methanol Fuel Cell De direct-methanol fuel cell is vergelijkbaar met de proton-exchange membrane fuel cell (zie paragraaf 2.5), maar gebruikt een katalysator aan de anode zijde om waterstof direct te kunnen onttrekken aan vloeibare methanol. Op deze manier is er geen behoefte aan een zgn. reformer, waarmee het benodigde gas wordt voorbereid. Dit maakt deze cel tot een erg aantrekkelijke oplossing voor de problemen van opslag en transport van waterstof. Opslag en transport is het grootste probleem van draagbare toepassingen, zoals bijv. voor elektromotoren in voertuigen. Het rendement is relatief laag, vergeleken met de PEMFC s, maar de bedrijfstemperatuur is vergelijkbaar met de AFC (80 C). Recentelijk worden methanolbrandstofcellen getest voor toepassing in notebooks. 6.000 5.000 Index (1990 = 100) 4.000 3.000 2.000 1.000 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) DMFC Figuur 7: Algemene trend octrooiaanvragen vs DMFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Ballard Power Systems Inc CA 30 Xcellsis GmbH DE 29 DBB Fuel Cell Engines GmbH DE 26 Siemens AG DE 23 Forschungszentrum Jülich GmbH DE 22 Du Pont de Nemours & Co US 21 DaimlerChrysler AG DE 16 Motorola Inc US 16 Toshiba KK JP 14 MTI Microfuel Cells Inc US 12 Samsung SDI Co Ltd JP 12 Celanese Ventures GmbH DE 11 Univ Stuttgart DE 11 California Inst of Technology US 10 Hewlett-Packard Development Corp US 10 Pemeas GmbH DE 10 Umicore AG & Co KG DE 10 Tabel 5: Ondernemingen met 10 of meer aanvragen (WO+EP) JP 21,1% GB 2,4% FR 1,8% CH 1,0% IL 0,8% DK 0,4% NL 0,4% TW 0,4% CA 6,7% DE 39,0% US 26,2% Figuur 8: Geografische spreiding aanvragers DMFC (WO+EP) 14
2.3 MCFC Molten Carbonate Fuel Cell Er zijn wereldwijd grote demonstratieprojecten opgezet om de molten carbonate fuel cell te testen voor de opwekking van energie. Het rendement ligt hoog (meer dan 60%), maar dat is ook het geval voor de bedrijfstemperatuur (660-700 0 C). Deze hoge temperaturen zorgen er niet alleen voor dat het elektrolyt (natrium, kalium of lithium zouten) vloeibaar is en daardoor zeer geleidend, maar zijn eveneens de oorzaak van hoge temperaturen bij de afvalproducten (zoals water). Het gebruik van deze restwarmte voor de opwekking van elektriciteit ligt dus voor de hand. De combinatie van deze toepassingen maakt dat het totale rendement de 85% kan halen. 500 450 400 Index (1990 = 100) 350 300 250 200 150 100 50 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) MCFC Figuur 9: Algemene trend octrooiaanvragen vs MCFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Siemens AG DE 27 Hewlett-Packard Development Corp US 17 ECN NL 16 MTU CFC Solutions GmbH DE 16 Forschungszentrum Jülich GmbH DE 13 ABB Research Ltd CH 11 NGK Insulators Ltd JP 11 Sulzer Hexis AG CH 11 Fuelcell Energy Inc US 10 Haldor Topsoe AS DK 10 Tabel 6: Ondernemingen met 10 of meer aanvragen (WO+EP) CH 6,0% CA 4,3% DK 3,3% GB 3,3% IT 2,2% FR 1,9% AU 1,6% TW 0,5% US 33,3% NL 6,2% JP 10,0% DE 27,4% Figuur 10: Geografische spreiding aanvragers MCFC (WO+EP) 15
2.4 PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell De phosphoric acid fuel cell wordt beschouwd als de meest voldragen soort brandstofcel. Als elektrolyt wordt fosforzuur gebruikt en de bedrijfstemperatuur ligt rond de 200 0 C. Geconcentreerd fosforzuur (in dit geval 100%) is zeer stabiel en bij deze temperatuur goed geleidend, terwijl de kans op vervuiling met CO gering is. Als katalysator aan de anode zijde wordt gewoonlijk platina gebruikt. Net als bij de molten carbonate fuel cells wordt nuttig gebruik gemaakt van de restwarmte, zij het in dit geval voor de verwarming van huishoudens en gebouwen. Het elektrisch rendement ligt slechts rond de 40%. 6.000 5.000 Index (1990 = 100) 4.000 3.000 2.000 1.000 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) PAFC Figuur 11: Algemene trend octrooiaanvragen vs PAFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Celanese Ventures GmbH DE 42 Pemeas GmbH DE 32 Honda Motor Co Ltd JP 16 Hewlett-Packard Development Corp US 14 Univ Stuttgart DE 13 Asahi Glass Co Ltd JP 12 Aventis Res & Technologies GmbH DE 11 Hoechst Res & Technologies GmbH DE 11 JSR Corp JP 10 Tabel 7: Ondernemingen met 10 of meer aanvragen (WO+EP) GB 4,0% IT 3,3% CA 3,0% FR 1,4% IL DK 1,2% 0,5% ES 0,5% TW 0,5% DE 37,5% US 18,9% JP 29,4% Figuur 12: Geografische spreiding aanvragers PAFC (WO+EP) 16
2.5 PEMFC Proton-Exchange Membrane Fuel Cell 6.000 5.000 Index (1990 = 100) 4.000 3.000 2.000 1.000 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) PEMFC Figuur 13: Algemene trend octrooiaanvragen vs PEMFC (WO+EP) Onderneming De proton-exchange membrane fuel cell staat ook bekend als de vaste polymeer brandstofcel. De bedrijfstemperatuur ligt veel lager dan bij de meeste brandstofcellen (40-80 0 C) vanwege het elektrolyt, dat geen hogere temperaturen verdraagt. Als brandstof aan de anode zijde wordt waterstof gebruikt, terwijl als oxidator de zuurstof uit de lucht dienst doet. Beide gassen moeten wel met water worden gemengd. Het toepassingsgebied lijkt voornamelijk te liggen in lichte voertuigen en andere kleine (draagbare) toepassingen, zoals decentrale energieopwekking en noodstroomvoorzieningen. Landcode Aantal Aanvragen Matsushita Electric Ind Co Ltd JP 106 Ballard Power Systems Inc CA 73 Honda Motor Co Ltd JP 66 Siemens AG DE 56 Celanese Ventures GmbH DE 52 General Motors Corp US 47 Du Pont de Nemours & Co US 45 Sony Corp JP 37 UTC Fuel Cells Llc US 35 Pemeas GmbH DE 34 Toyota Jidosha KK JP 33 DaimlerChrysler AG DE 32 3M Innovative Properties Corp US 31 Int Fuel Cells Llc US 31 Johnson Matthey Plc GB 31 Nissan Motor Co Ltd JP 29 Hewlett-Packard Development Corp US 28 Tabel 8: Ondernemingen met 25 of meer aanvragen (WO+EP) CA 7,6% GB 2,7% FR 1,7% NL 0,9% JP 34,7% US 21,5% DE 31,0% Figuur 14: Geografische spreiding aanvragers PEMFC (WO+EP) 17
2.6 SOFC Solid Oxide Fuel Cell De Solid Oxide Fuel Cell vindt zijn toepassing in de industrie en bij elektriciteitscentrales. Als elektrolyt wordt een vast niet-poreus metaaloxide gebruikt. Deze brandstofcellen werken met zeer hoge temperaturen (650-1000 0 C) en de huidige proefopstellingen leveren van 1 tot 250 KW. Er zijn plannen voor centrales met een capaciteit van meerdere MW s. Het elektrische rendement benadert de 60% maar door gebruik te maken van de hoge restwarmte is een totaal rendement mogelijk van 85%. 500 450 400 Index (1990 = 100) 350 300 250 200 150 100 50 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) SOFC Figuur 15: Algemene trend octrooiaanvragen vs SOFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Delphi Technologies Inc US 51 Siemens AG DE 48 Hewlett-Packard Development Corp US 31 NGK Insulators Ltd JP 31 Westinghouse Electric Corp US 29 Forschungszentrum Jülich GmbH DE 25 Ceramic Fuel Cells Ltd AU 23 Matsushita Electric Ind / Works Ltd JP 23 Nissan Motor Co Ltd JP 23 Honda Motor Co Ltd JP 15 Allied-Signal Inc US 14 ECN NL 13 Global Thermoelectric Inc CA 13 General Electric Corp US 12 Sulzer Hexis AG CH 12 Univ California US 12 Battelle Memorial Institute US 11 Rolls-Royce Plc GB 11 Corning Inc US 10 Tabel 9: Ondernemingen met 10 of meer aanvragen (WP+EP) AU 2,8% GB 4,1% CH 2,4% NL 2,2% DK 1,7% FR 1,6% IT 1,2% IL 0,2% AT 0,2% TW 0,2% ZA 0,2% KR 0,2% US 36,7% CA 4,5% DE 17,0% JP 24,6% Figuur 16: Geografische spreiding aanvragers SOFC (WO+EP) 18
2.7 URFC Unitized Regenerative (Reversible) Fuel Cell De unitized regenerative (reversible) fuel cell is een omkeerbare brandstofcel. Omkeerbaar in de zin van de omkeerbaarheid van de chemische processen, d.w.z. deze cel kan zowel stroom leveren als brandstof genereren. Deze reversibele brandstofcel, ook wel aangeduid als Flowbatterij, werkt met twee elektrolyten die door een polymeer membraan van elkaar gescheiden zijn. De elektrolyten worden rondgepompt naar gescheiden opslagvaten, waardoor zelfontlading geminimaliseerd wordt. De brandstofcel loopt op waterstof en haalt de zuurstof uit de lucht voor het genereren van elektriciteit. Hij kan met een capaciteit van 50 KW een lichtgewicht auto aandrijven en voor acceleratie en andere momenten van piekbelasting kan eventueel gebruik worden gemaakt van zuurstofinjectie uit een speciale tank. In de omgekeerde modus kan hij elektriciteit aanwenden om het water terug converteren tot waterstof en zuurstof. Dit laatste zou zelfs al kunnen gebeuren bij het remmen of een helling afgaan en daarbij de actieradius van een auto vergroten met zo n 10%. 6.000 5.000 Index (1990 = 100) 4.000 3.000 2.000 1.000 0 1990 1994 1998 2002 Aanvragen (algemeen) URFC Figuur 17: Algemene trend octrooiaanvragen vs URFC (WO+EP) Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Nippon Mitsubishi Oil Corp JP 9 Delphi Technologies Inc US 5 Hydrogenics Corp CA 5 Toyota Jidosha KK JP 5 CellTech Power Inc US 4 General Electric Corp US 4 Nissan Motor Co Ltd JP 4 Victrex MFG Ltd GB 4 DaimlerChrysler AG DE 3 Univ Ramot Applied Res & Ind Dev Ltd IL 3 UTC Fuel Cells Llc US 3 Ballard Power Systems Inc CA 2 Commissariat Energie Atomique FR 2 Fuelcell Energy Inc US 2 Int Fuel Cells Llc US 2 Lynntech Inc US 2 Millenium Energy Llc US 2 Morgan Crucible Co Plc GB 2 Procyon Power Systems Inc US 2 Reveo Inc US 2 Sony Corp JP 2 Univ Tel Aviv Future Technology Dev LP IL 2 Tabel 10: Ondernemingen met 2 of meer aanvragen (WO+EP) CA 8,0% DK 5,1% GB 5,1% FR 3,6% IT 1,5% NL 0,7% TW 0,7% ZA 0,7% US 38,7% DE 10,9% JP 24,8% Figuur 18: Geografische spreiding aanvragers URFC (WO+EP) 19
2.8 Biofuel Cell Een biobrandstofcel heeft een zuurstofloos (anaëroob) en een zuurstofrijk (aëroob) gedeelte, gescheiden door een speciaal membraan. De anode in de zuurstofloze omgeving wordt negatief geladen door elektronen die door micro-organismen worden geproduceerd. Hierbij ontstaan CO 2 en H + -ionen, welke laatste door het membraan naar de zuurstofrijke, waterige omgeving bewegen. Doordat daar H + en zuurstof (O 2 ) tot water (H 2 O) reageren, wordt de kathode positief geladen. Figuur 2: Biobrandstofcel (Bron: TNO) TNO doet proeven met natte organische afvalstromen zoals mest, GFT, e.d. Door middel van een door SenterNovem gesubsidieerd NEO-project 1 wordt gepoogd inzicht te krijgen in de kosten, het vermogen en rendement bij gebruik van diverse materialen voor de membranen en elektroden, het type biomassa en de aanwezige micro-organismen. Op dit moment worden veelbelovende resultaten geboekt met mest. Gestreefd wordt naar een rendement van ca. 65%. Onderneming Landcode Aantal Aanvragen Korea Adv Inst Sci & Technology KR 2 Univ St Louis US 2 TNO NL 1 Sony Corp JP 1 Tabel 11: De aanvragers tot nu toe op het gebied van biobrandstofcellen (WO+EP) 1 Nieuw Energie Onderzoek; een subsidieprogramma van het ministerie van Economische Zaken, uitgevoerd door SenterNovem, voor het stimuleren van niet-conventioneel energieonderzoek. 20
3. Nederland en Brandstofcellen Met uitzondering van Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) zijn er geen Nederlandse ondernemingen of kennisinstellingen terug te vinden onder de grootste octrooiaanvragers op wereldniveau. De meeste belangstelling van de diverse Nederlandse ondernemingen lijkt (op basis van de classificatie van de aanvragen) uit te gaan naar twee typen brandstofcellen, de Molten Carbonate Fuel Cell (23 aanvragen) en de Solid Oxide Fuel Cell (18 aanvragen), hoewel de types Proton-Exchange Membrane Fuel Cell en de Alkaline Fuel Cell ook een tiental aanvragen vertonen. Van de kennisinstellingen is de TU Delft actief met Molten Carbonate Fuel Cells en TNO met de Biofuel Cell. Type Brandstofcel Onderneming AFC DMFC MCFC PAFC PEMFC SOFC URFC Biofuel Cell ECN 7 2 16 10 13 48 Shell Int Research 3 5 1 9 Akzo Nobel NV 2 2 Stork 2 2 Univ Delft 2 2 TNO 1 1 9 2 23 0 10 18 1 1 Tabel 12: Nederlandse aanvragers op het gebied van Brandstofcellen Totaal 21
22
4. Conclusies Sedert 1995 is het aantal octrooiaanvragen op het gebied van brandstofcellen sterker gegroeid dan de algemene trend en sedert 1997 wordt zelfs een zeer grote groei doorgemaakt. Eén van de grootste aanvragers, Ballard Power Systems Inc., is gevestigd in Canada. De overige aanvragen komen voornamelijk uit Japan, de Verenigde Staten, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk. Japan heeft een leidende positie, met de Verenigde Staten en Duitsland op de tweede en derde plaats. Samen hebben ze niet minder dan 83,2% van de aanvragen op hun conto staan. Canada staat, met name dankzij Ballard Power Systems, op de vierde plaats. Nederland staat op de 11 e plaats, met 0,4% van de aanvragen. Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) neemt een prominente plaats in onder de Nederlandse ondernemingen en kennisinstellingen. De meeste belangstelling van de Nederlandse ondernemingen lijkt uit te gaan naar twee typen brandstofcellen, de Molten Carbonate Fuel Cell (23 aanvragen) en de Solid Oxide Fuel Cell (18 aanvragen), hoewel de types Proton-Exchange Membrane Fuel Cell en de Alkaline Fuel Cell elk ook een tiental aanvragen vertonen. TU Delft is actief met Molten Carbonate Fuel Cells en TNO met de Biofuel Cell. 23
Bijlage 1 Geraadpleegde literatuur 1. Fuel Cell Today; Mark Cropper, New York, 17 September 2003. 2. Fuel Cell Types; NFCRC, University of California. 3. Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program; U.S. Department of Energy, 2005. 4. Brandstofceltechnologie; Diverse artikelen, ECN. 5. Biofuel Cell; NEO-project van SenterNovem, 2003 24
Bijlage 2 Classificatiecodes; sleutelwoorden Gebruikte classificatiecodes H01M PROCESSEN OF MIDDELEN, BIJV. BATTERIJEN, VOOR HET DIRECT OMZETTEN VAN CHEMISCHE ENERGIE IN ELEKTRISCHE ENERGIE In de hierna volgende deelgroepen zijn brandstofcellen elektrochemische generatoren, waarin de reactiebestanddelen van buitenaf worden toegevoerd. H01M8/00 H01M8/02 H01M8/04 H01M8/06 H01M8/08 H01M8/10 H01M8/12 H01M8/14 H01M8/16 H01M8/18 H01M8/20 H01M8/22 H01M8/24 Brandstofcellen; maken daarvan. Constructieve details. Hulpvoorzieningen of hulpprocessen, bijv. voor het regelen van de druk of voor het laten circuleren van een fluïdum. Combineren van brandstofcellen met middelen voor het produceren van reactiebestanddelen of voor het behandelen van restanten (regeneratieve brandstofcellen). Brandstofcellen met waterige elektrolyten. Brandstofcellen met vaste elektrolyten.. werkend bij hoge temperatuur, bijv. met een gestabiliseerd ZrO 2 elektrolyt. Brandstofcellen met versmolten elektrolyten. Biochemische brandstofcellen, d.w.z. elementen waarin micro-organismen werken als katalysatoren. Regeneratieve brandstofcellen. Indirecte brandstofcellen, bijv. redoxelementen (H01M 8/18 heeft voorrang). Brandstofcellen waarin de brandstof is gebaseerd op materialen die koolstof, zuurstof of waterstof en andere elementen bevatten; Brandstofcellen waarin de brandstof is gebaseerd op materialen die alleen andere elementen dan koolstof, zuurstof of waterstof bevatten. Groeperen van brandstofcellen tot batterijen, bijv. modules Constructieve details evenals hulpvoorzieningen, hulpprocessen en modulebouw (IPC-codes H01M8/02, H01M8/04 en H01M8/24) zijn bij de onderverdeling in typen brandstofcellen niet meegenomen. Gebruikte sleutelwoorden voor de typeringen De IPC-codering op zich was niet voldoende voor een eenduidige typering van de brandstofcellen. Ten behoeve van de in de literatuur min of meer gebruikelijke indeling naar de aard van de gebruikte elektrolyt zijn de volgende zoektermen gebruikt: AFC (potassium or hydroxide or alkaline or KOH or AFC)/ti/ab DMFC (methanol or CH2OH or DMFC)/ti/ab MCFC (carbonate or ceramic or NA2CO3 or K2CO2 or LiCO3 or MCFC)/ti/ab PAFC (phosphoric or acid or H3PO4 or PAFC)/ti/ab PEMFC ((polymer or proton or PEM or PEMFC or PEFC or SPFC or SPEFC or IEMFC) not electrolyzer)/ti/ab SOFC (oxide or yttria or zirconia or Y2O3 or ZrO2 or SOFC)/ti/ab URFC (hybrid or ((polymer or proton or PEM or PEMFC or PEFC or SPFC or SPEFC or IEMFC) and electrolyzer))/ti/ab BioFuel Cell (biofuel w cell) De rode typering is (nog) niet in de octrooidatabases teruggevonden. 25
Bijlage 3 Landcodes Landcode Land Landcode Land AM Armenië IT Italië AT Oostenrijk JP Japan AU Australië KR Zuid-Korea BA Bosnië-Herzegovina KY Kaaiman eilanden BB Barbados LI Liechtenstein BE België LU Luxemburg BG Bulgarije LV Letland BH Bahrein MX Mexico BR Brazilië NL Nederland BS Bahamas NO Noorwegen CA Canada NZ Nieuw-Zeeland CH Zwitserland PL Polen CL Chili PT Portugal CN China RO Roemenië CO Colombia RU Rusland CZ Tsjechië SE Zweden DE Bondsrepubliek Duitsland SG Singapore DK Denemarken SI Slovenië ES Spanje SK Slowakije EU15 (AT+BE+DE+DK+ES+FI+FR+GB+ GR+IE+IT+LU+NL+PT+SE) TR Turkije FI Finland TW Taiwan FR Frankrijk UA Oekraïne GB Verenigd Koninkrijk US Verenigde Staten GR Griekenland VE Venezuela HU Hongarije VG Maagdeneilanden (UK) IE Ierland YU Servië en Montenegro IL Israël ZA Zuid-Afrika IN India 26
Bijlage 4 Gebruikte afkortingen Afkorting Verklaring AFC dg O&I DMFC ECLA ECN EOB EP EP-route EU15 EUREG EURO-PCT EZ IEMFC IPC K&V KOB MCFC NEO NFCRC OECD OPD PAFC PCT PCT-route PEMFC Alkaline Fuel Cell. directoraat generaal Ondernemen en Innovatie van het ministerie van Economische Zaken. Direct-Methanol Fuel Cell. European Classification. Energieonderzoek Centrum Nederland. Europees Octrooi Bureau. Octrooiaanvragen die via het EOB worden ingediend, krijgen als nummer EPxxxxxxxxxx en worden daarom ook wel aangeduid als EP-aanvragen. Route die octrooiaanvragen volgen die bij het EOB worden ingediend De Europese Unie is in het onderzoek gedefinieerd naar de situatie in de onderzoeksperiode; daarin maakten de volgende 15 landen deel uit van de EU: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Griekenland, Groot-Brittannië, Ierland, Italië, Luxemburg, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje en Zweden. EUropean REGister. Een database met bibliografische, juridische en administratieve informatie over alle gepubliceerde Europese en Euro-PCT applicaties (sinds 1978). Octrooiaanvragen die nadat zij zijn ingediend bij de WIPO ook bij het EOB worden ingediend. Ministerie van Economische Zaken. Ion Exchange Membrane Fuel Cell. International Patent Classification; classificatie systeem dat wereldwijd wordt gebruikt om octrooiaanvragen te classificeren. Afdeling Kennisverspreiding en Voorlichting van Octrooicentrum Nederland. Cluster Kennisontsluiting en Beleidsinteractie van Octrooicentrum Nederland. Molten Carbonate Fuel Cell. Nieuw Energie Onderzoek; een subsidieprogramma van het ministerie van Economische Zaken, uitgevoerd door SenterNovem, voor het stimuleren van niet-conventioneel energieonderzoek. National Fuel Cell Research Center, Universiteit van California, Irvine. Organisation for Economic Co-operation and Development, Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO). Oudste prioriteitsdatum. Phosphoric Acid Fuel Cell. Patent Cooperation Treaty, verdrag waarbij praktisch alle landen van de wereld zijn aangesloten. Octrooiaanvragen kunnen bij de WIPO worden ingediend. Na indiening gaan de octrooien de diverse regionale- of nationale fasen in. Route die octrooiaanvragen volgen die via de WIPO onder het PCT-verdrag worden ingediend. Proton-Exchange Membrane (of Polymer Electrolyte Membrane) Fuel Cell (ook bekend onder: PEM of PEFC). SenterNovem Fusie tussen twee agentschappen van het Ministerie van EZ; Senter, verantwoordelijk voor het uitvoeren van subsidie-, krediet- en fiscale regelingen en programma s op het gebied van technologie, energie, milieu, export en internationale samenwerking, met NOVEM, de Nederlandse Organisatie voor Energie en Milieu. SOFC SPEFC SPFC TNO URFC WIPO WO WO-route WPI Solid Oxide Fuel Cell. Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell. Solid Polymer Fuel Cell. Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek. Unitized Regenerative (or Reversible) Fuel Cell. World Intellectual Property Organisation; is een onderdeel van de Verenigde Naties en is gevestigd in Génève. WIPO houdt zich bezig met intellectueel eigendom en voorziet in de PCT-route. Deze aanvragen krijgen als nummer WOxxxxxx die ook wel WO-aanvragen worden genoemd. Octrooiaanvragen die worden ingediend via de PCT-route krijgen als nummer WOxxxxxxxxxx. Om die reden worden ze ook wel WO-aanvragen genoemd. (zie PCT-route). Derwent World Patents Index, van Thomson Scientific, de belangrijkste private aanbieder van octrooiinformatie. 27