豐田燃料電池汽車核心技術(shù)及專利剖析

豐田汽車（Toyota Motor Corporation）是全球最大的整車企業(yè)之一，創(chuàng)立已有80多年歷史，在全球五十多個(gè)國(guó)家有組裝工廠，是第一家汽車年銷量超過千萬的整車企業(yè)。

豐田汽車主要的內(nèi)部公司按產(chǎn)品類型和地區(qū)可分為7個(gè)子公司和2個(gè)事業(yè)部，分別為先進(jìn)技術(shù)開發(fā)公司、豐田小型車公司、中型車公司、商用車公司、雷克薩斯國(guó)際公司、動(dòng)力總成公司和新成立的互聯(lián)汽車公司，以及負(fù)責(zé)北美、歐洲和非洲業(yè)務(wù)的第一事業(yè)部和負(fù)責(zé)中國(guó)，亞洲，中東和北非，東亞及大洋洲，拉丁美洲及加勒比地區(qū)的第二事業(yè)部。

一、高研發(fā)投入瞄向減排汽車

技術(shù)研發(fā)方面，豐田汽車2001財(cái)年到2017財(cái)年的研發(fā)投入平均值為0.8兆日元，2016財(cái)年的研發(fā)投入最高，為1.06兆日元，研發(fā)費(fèi)用占比為3.7%。近三年來，豐田汽車的研發(fā)費(fèi)用和研發(fā)費(fèi)用占比變化幅度不大，研發(fā)費(fèi)用維持在1兆日元以上。

圖1 公司研發(fā)費(fèi)用及營(yíng)收占比（單位：百萬日元）

數(shù)據(jù)來源：Toyota Motor Corporation Financial Report

豐田汽車于2015年10月14日公布了“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”目標(biāo)，提出在2050年前實(shí)現(xiàn)僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)行駛的汽車的“零”銷售。該計(jì)劃旨在提高混合動(dòng)力車(HV)和燃料電池車(FCV)的比率，使新車的二氧化碳(CO2)排放量比2010年削減90%。

因此，豐田汽車近年來在新能源汽車，尤其是燃料電池汽車上投入了大量研發(fā)資金。

從長(zhǎng)期來看，目前豐田汽車的研發(fā)開支正處于歷史高位，可以認(rèn)為豐田汽車對(duì)于科研十分重視，未來可能會(huì)有大量新能源技術(shù)和產(chǎn)品推出。

由于傳統(tǒng)電池技術(shù)的限制，豐田高層認(rèn)為燃料電池車是終極環(huán)保車，豐田汽車近年來將其未來研發(fā)重心從技術(shù)成熟的混合動(dòng)力汽車逐漸轉(zhuǎn)向燃料電池汽車。

豐田汽車于1992年便開始研發(fā)燃料電池汽車，在1996年10月發(fā)布了首款燃料電池汽車FCEV。

在隨后的十多年里，豐田汽車陸續(xù)推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等車型，但受制于昂貴的單價(jià)和基礎(chǔ)設(shè)施不足，該階段的燃料電池汽車沒有量產(chǎn)和商品化。

二、Mirai動(dòng)力子系統(tǒng)性能指標(biāo)

2014年12月15日，豐田汽車在日本發(fā)布全球首款量產(chǎn)氫燃料電池汽車Mirai，Mirai是世界上率先投入量產(chǎn)的燃料電池汽車。

Mirai的售價(jià)為723.6萬日元（約44萬人民幣），經(jīng)政府補(bǔ)貼后，實(shí)際的售價(jià)在520萬日元左右（約31萬人民幣），上市首月的訂單達(dá)到1200輛。

目前，氫燃料的售價(jià)約為1000日元/千克，Mirai的儲(chǔ)氫罐可儲(chǔ)存5千克氫氣，加滿氫氣僅需3-5分鐘，加注后可行駛650千米，每公里的成本約為8日元（約0.49元人民幣）。

豐田Mirai采用了全新設(shè)計(jì)的底盤，以及新一代的燃料電池堆和儲(chǔ)氫罐，Mirai的整套燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)包括燃料電池堆、高壓儲(chǔ)氫罐、升壓變頻器、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力控制單元等等。

值得注意的是，豐田Mirai可利用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為家庭供電。日本的自然災(zāi)害比較多，Mirai作為應(yīng)急電源在救援工作中可以發(fā)揮很大作用。

氫燃料電池汽車的續(xù)航和加注燃料的時(shí)間與普通內(nèi)燃機(jī)汽車無異，明顯優(yōu)于純電動(dòng)汽車。但加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是氫燃料電池汽車未來發(fā)展不得不面臨的難題。

為了使更多的氫燃料電池汽車上路，豐田無償?shù)貙?duì)外公開了約5680項(xiàng)燃料電池相關(guān)專利，希望以此鼓勵(lì)其他汽車廠商推出燃料電池汽車，降低加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建造和使用成本。

2015年，Mirai銷量為700輛；2016年，Mirai的銷量增至2000輛，占全球燃料電池乘用車總銷量的88%。

由于產(chǎn)能有限，目前訂購(gòu)Mirai的消費(fèi)者需要等待至少兩年時(shí)間才能提車，豐田汽車預(yù)計(jì)到2020年，Mirai的年產(chǎn)量將在30000臺(tái)左右。

Mirai使用的燃料電池系統(tǒng)（Toyota Fuel Cell System, 簡(jiǎn)稱TFCS）由豐田汽車自主研發(fā)，主要包括六個(gè)子系統(tǒng)，分別是燃料電池堆、儲(chǔ)能電池、高壓儲(chǔ)氫罐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PC升壓變頻器和動(dòng)力控制裝置。下文將從整車和零部件兩個(gè)方面來介紹Mirai。

1.整車

Mirai的續(xù)航里程達(dá)到502km，最高輸出功率為114kW，最高時(shí)速為175km/h。

Mirai的輸出功率以及最高時(shí)速和加速與當(dāng)前市售的家用轎車相差無幾，且由于沒有內(nèi)燃機(jī)，Mirai在行駛過程中只有胎噪，相比傳統(tǒng)汽車更為安靜。

表1 Mirai參數(shù)

數(shù)據(jù)來源：2016 Mirai Product Information

2.子系統(tǒng)

（1）燃料電池堆

irai的燃料電池為固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（Solid polymer electrolyte FC），最大輸出功率為114千瓦，由370片電池組成，重量?jī)H56kg，體積僅37L。

積功率密度和質(zhì)量功率密度分別為3.1kW/L，2.0kW/kg，升壓變頻器負(fù)責(zé)將電壓提升至650V，以滿足高性能電動(dòng)機(jī)的需求，處于世界領(lǐng)先水平。

除了為汽車提供動(dòng)力外，Mirai的燃料電池堆還可以為其他設(shè)備供電，Mirai可以作為備用發(fā)電機(jī)使用。

表2 燃料電池堆參數(shù)

數(shù)據(jù)來源：2016 Mirai Product Information

（2）儲(chǔ)能電池

為了提高效率，Mirai后備箱中有一塊鎳氫儲(chǔ)能電池，用于吸收燃料電池組輸出剩余的電能和車輛行駛過程中回收的電能，供汽車急加速或車載電池使用。

（3）高壓儲(chǔ)氫罐

氫燃料的安全存儲(chǔ)是氫燃料電池汽車最重要的問題。Mirai在后排座椅下方布置了兩個(gè)最大可承受70兆帕壓力的高壓儲(chǔ)氫罐，其外殼由碳纖維和凱夫拉組成，可以抵抗輕型武器的攻擊。

氫氣具有可燃性，在空氣中點(diǎn)燃可能發(fā)生爆炸。豐田通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)保護(hù)了儲(chǔ)氫罐，在80km/h的追尾試驗(yàn)中，儲(chǔ)氫罐保持完好。碰撞后，氫氣會(huì)以安全的速度被強(qiáng)制排出，杜絕爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

Mirai的加氫口位于車身的左后方，最高可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業(yè)的加氫設(shè)備，3分鐘內(nèi)即可為Mirai加滿氫氣。充滿之后，5kg的氫氣可以驅(qū)動(dòng)Mirai行駛650km（日本的JC08標(biāo)準(zhǔn)）。

表3 高壓儲(chǔ)氫罐參數(shù)

數(shù)據(jù)來源：2016 Mirai Product Information

（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)

Mirai使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與豐田的混合動(dòng)力汽車相同，均為同步交流電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率為113千瓦，最大扭矩為335Nm。

（5）FC升壓變頻器

TFCS系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)出的電能還需要經(jīng)過升壓變頻器的升壓才能供給電動(dòng)機(jī)使用，最大輸出電壓為650V。

（6）動(dòng)力控制裝置

動(dòng)力控制裝置由逆變器、升壓轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，用于精確控制燃料電池堆的輸出和電池的充電及放電。

FCV價(jià)格高昂，主要是燃料電池堆的成本一直下不來，然而豐田顯然找到了解決問題的關(guān)鍵。和豐田在2008年推出的燃料電池系統(tǒng)相比，Mirai的燃料電池系統(tǒng)成本降低了95%！

三、 豐田燃料電池相關(guān)專利分析

1.專利年度分布

截至2017年5月12日，豐田汽車已在21個(gè)國(guó)家和地區(qū)、2個(gè)國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)了15867件與燃料電池相關(guān)的專利。

2004年到2009年，豐田汽車與燃料電池相關(guān)的專利申請(qǐng)數(shù)量大幅增長(zhǎng)，期間該技術(shù)領(lǐng)域年均專利申請(qǐng)量為1895件,說明豐田汽車在這幾年開展了大量氫燃料電池技術(shù)研究。

2009年后，豐田汽車與燃料電池相關(guān)的專利申請(qǐng)數(shù)量逐漸下降，年申請(qǐng)量回落到500件左右。

直到2014年，專利申請(qǐng)數(shù)量再度回升，2015年的專利申請(qǐng)量重新回到1000件以上，表明當(dāng)下豐田公司對(duì)燃料電池技術(shù)研究的熱情逐漸回升，未來可能有較多新技術(shù)和新產(chǎn)品面世。

圖2 專利年度申請(qǐng)量

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

2.全球?qū)＠季?/strong>

從與燃料電池相關(guān)的全球?qū)＠季謥砜?，豐田汽車的專利申請(qǐng)主要覆蓋日本、美國(guó)、中國(guó)、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局等21個(gè)國(guó)家、地區(qū)和2個(gè)國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織。

其中，豐田汽車在其總部所在地日本的專利申請(qǐng)最大，累積申請(qǐng)與燃料電池相關(guān)的專利8712件，占該領(lǐng)域總量的55%，說明豐田汽車對(duì)本土燃料電池市場(chǎng)的重視。

此外，在美國(guó)的申請(qǐng)量占12.2%，在中國(guó)的申請(qǐng)量占9.2%，顯示豐田汽車對(duì)這些地區(qū)燃料電池汽車市場(chǎng)的重視。

圖3 專利全球布局

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

3. 技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)

為了研究豐田汽車與氫能和燃料電池相關(guān)的技術(shù)研發(fā)情況，利用專利文本挖掘和IPC國(guó)際專利分類進(jìn)一步展開分析，可以看出該公司技術(shù)重點(diǎn)集中在氫泵、排水閥、電解質(zhì)膜、儲(chǔ)氫罐等技術(shù)。

從IPC分類號(hào)來看，豐田汽車在H01M8燃料電池及其制造領(lǐng)域申請(qǐng)的專利數(shù)量最多，達(dá)到9671件，占總量的61%。專利申請(qǐng)數(shù)量第二多的技術(shù)領(lǐng)域是H01M4電極，占總量的9.5%。

圖4 關(guān)鍵技術(shù)概念

數(shù)據(jù)來源：Orbit.com

表4 關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排序

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

4.合作與借鑒

對(duì)豐田汽車申請(qǐng)的與氫能和燃料電池相關(guān)專利進(jìn)行申請(qǐng)人分析，其結(jié)果顯示了該企業(yè)與其他企業(yè)或個(gè)人的合作研發(fā)情況。

由下圖可以看出，公司與愛信、Nippon Soken、豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室等集團(tuán)內(nèi)外部企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)有大量合作。

技術(shù)的借鑒方面，本田汽車與氫燃料電池相關(guān)的專利被本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司引用較多，同時(shí)也引用本田汽車、日產(chǎn)汽車、松下公司較多專利，豐田汽車與這三家公司之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)度較高，互相引用、借鑒大量專利。

圖5 專利合作申請(qǐng)情況

數(shù)據(jù)來源：Orbit.com

圖6 申請(qǐng)人間引用情況

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

5.發(fā)明人分析

豐田汽車與燃料電池相關(guān)技術(shù)的高產(chǎn)發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等，其中發(fā)明人包括Yoshiaki Naganuma的專利申請(qǐng)328件，占公司專利總量的2.1%。

申請(qǐng)量排名前10發(fā)明人是公司技術(shù)研發(fā)核心團(tuán)隊(duì)，申請(qǐng)專利1940項(xiàng)，占公司專利總量的12.2%，說明公司科研團(tuán)隊(duì)龐大，科研人才較多。

圖7 專利發(fā)明人

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

6.專利價(jià)值分析

Innography將近十年美國(guó)授權(quán)專利各指標(biāo)的平均數(shù)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，歸一化后繪制成雷達(dá)圖。下圖中右側(cè)圖例中的數(shù)據(jù)即為各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，在雷達(dá)圖中以數(shù)值為1表示。

從圖中可以看到豐田汽車與燃料電池相關(guān)的專利在訴訟、專利引用上遠(yuǎn)低于平均值，說明豐田汽車的專利訴訟較少且專利原創(chuàng)度較高，通過借鑒或合作進(jìn)行的創(chuàng)新較少。豐田汽車專利的發(fā)明人高于平均值，說明其發(fā)明團(tuán)隊(duì)較大。

圖8 專利價(jià)值分析

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

下圖顯示，豐田汽車與燃料電池相關(guān)的專利總量為15867件，其中，10782件專利是有效的，包括5373件有效授權(quán)和5409件有效申請(qǐng)。豐田汽車失效專利數(shù)量較少，僅為5085件，占專利總量的32%。

圖9 專利有效性

數(shù)據(jù)來源：Innography.com

Innography專利強(qiáng)度指標(biāo)參考了10余個(gè)專利價(jià)值的相關(guān)指標(biāo)，包括：專利權(quán)利要求數(shù)量、引用先前技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量、專利被引用次數(shù)、專利及專利申請(qǐng)案的家族、專利申請(qǐng)時(shí)程、專利年齡、專利訴訟等，如果一件專利強(qiáng)度越高，可以確定該專利的質(zhì)量和影響力越高。

對(duì)豐田汽車的所有與燃料電池相關(guān)的專利族進(jìn)行專利強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)其專利強(qiáng)度超過90的專利有88件，涉及氫燃料電池控制系統(tǒng)、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池制造等。88件專利全部有效，僅有3件專利將在2020年前失效。

表5 高專利強(qiáng)度專利情況

數(shù)據(jù)來源：Innography.com