豐（fēng）田（tián）的燃（rán）料電池汽車核心技術為什麽世界頂尖？

豐田汽車（Toyota Motor Corporation）是（shì）全球最大的整車企業之一，創立已有80多年曆史，在全球五十多（duō）個國家有組裝工廠，是第一家汽車年銷量（liàng）超過千萬的（de）整車企業。

豐田汽車主要（yào）的內部公司按產品類型和地區可分為7個子公司和2個事業部，分（fèn）別為先（xiān）進技術開發公司、豐田小型車公司、中型（xíng）車公（gōng）司、商（shāng）用車公司、雷克薩斯國際公司（sī）、動力總成公司和（hé）新成立的互聯汽（qì）車公司，以及負責北美、歐洲和非洲業務的（de）第（dì）一事業部和負責中國，亞洲（zhōu），中東和北非，東亞及大洋洲，拉丁美洲及加勒比地區的第二事業部。

一、高研（yán）發投入瞄向減排汽車

技術研發方麵，豐田汽車2001財年到2017財年的研發投入平均值（zhí）為（wéi）0.8兆日元（約（yuē）485.79億人民幣），2016財年的研發投入最高，為1.06兆日元（約643.67億人民幣），研發費用占比為（wéi）3.7%。

近三年來，豐（fēng）田汽車的研發費用和研（yán）發費用占比變化幅度不大，研發（fā）費用維持在（zài）1兆日元以上。

圖1 公司（sī）研發費用及營收占比（bǐ）（單位（wèi）：百萬日元）

數據來源：Toyota Motor Corporation Financial Report

豐田汽車於2015年10月14日公（gōng）布了“豐田環境挑戰2050”目標，提出在2050年前實現僅靠發動機行駛的汽車的“零”銷售。該計劃旨在提高混合動力車(HV)和燃料電池車(FCV)的比率，使新車的二氧化碳(CO2)排放量（liàng）比2010年削減90%。

因此（cǐ），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（yán）發資金。

從長期來看（kàn），目前豐（fēng）田汽車的（de）研發開支（zhī）正處（chù）於曆史高位（wèi），可以認（rèn）為豐田汽車對於科研十分重視（shì），未來可（kě）能會（huì）有大量新能源技術和產品（pǐn）推出。

由於傳統（tǒng）電池技術的（de）限製，豐田高層（céng）認為燃料（liào）電池車是終極環保車，豐田汽車近（jìn）年來將其未來研發重心從技術成熟的混合動力（lì）汽車逐漸（jiàn）轉向燃料電池汽車。

豐田汽車於1992年便（biàn）開始研（yán）發燃料電池汽車，在1996年10月發布了首款燃料電池汽車FCEV。

在（zài）隨後的十多年裏，豐田汽車陸續推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等車型，但受製於昂貴（guì）的單價和基礎設施（shī）不足，該（gāi）階段的燃料電池汽車沒有（yǒu）量產（chǎn）和商品化。

二、Mirai動力子（zǐ）係統性能指標

2014年12月15日，豐田汽車在日本發布全球首（shǒu）款量產氫燃料電池汽車Mirai，Mirai是世界上率先（xiān）投入量產的燃料電池（chí）汽車（chē）。

Mirai的售價為723.6萬日元（約44萬人民幣），經政府補貼（tiē）後，實際的售價在520萬日元（yuán）左右（約31萬人（rén）民幣），上市首月的訂單（dān）達到1200輛。

目前，氫燃（rán）料的售價約為1000日元/千克，Mirai的儲氫罐（guàn）可儲存5千（qiān）克氫氣，加滿氫氣僅需3-5分鍾，加注後可行駛650千米，每公（gōng）裏的成本約（yuē）為8日元（約0.49元人民（mín）幣）。

豐田Mirai采用了全新設計（jì）的底（dǐ）盤（pán），以（yǐ）及新（xīn）一代的燃料電池堆和儲氫罐，Mirai的整套燃料電池動力係統包括燃料電池堆（duī）、高壓儲氫（qīng）罐、升壓變頻（pín）器、電動機、動力控製單元等等。

值（zhí）得注意的（de）是，豐田Mirai可利用燃料電池係統（tǒng）產生的電能為家庭供電。日本的自（zì）然災害比較多，Mirai作為應急電源在救援工作中可（kě）以發揮很大作用。

氫燃料電池汽車的續航和加注燃料的時間與普通內燃機汽車無異，明顯優於純電（diàn）動汽車。但加（jiā）氫站等基（jī）礎設施的建設是氫燃料電（diàn）池汽車未來發展（zhǎn）不得不（bú）麵臨的難題。

為了使更多的（de）氫燃料電池汽車上路，豐田無償地對外公開了約（yuē）5680項燃料電池相關專利，希望以此鼓勵其他（tā）汽車廠商推出燃料電（diàn）池汽車，降低加氫站等基（jī）礎（chǔ）設施的建造和使（shǐ）用成（chéng）本（běn）。

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

由於產（chǎn）能有限，目前訂購Mirai的消費者需要等待至少兩（liǎng）年（nián）時間才能提車，豐田汽（qì）車預計到2020年，Mirai的年產量將在30000台左右。

Mirai使用的（de）燃料（liào）電池係統（Toyota Fuel Cell System, 簡稱TFCS）由（yóu）豐田汽車自主研發，主要包括六個子係統，分別是燃料電池堆、儲能電池、高壓儲氫罐（guàn）、驅動電機、PC升壓變頻器和動力控製裝置。下文將從整車和零部件兩個方麵來介紹Mirai。

1.整車

Mirai的續航裏程達到502km，最高輸出功率為114kW，最（zuì）高時（shí）速為175km/h。

Mirai的輸（shū）出功率以及最高時速和加速與當前市售（shòu）的家用轎（jiào）車相差無幾，且由於沒有內（nèi）燃機，Mirai在行駛過程中隻有胎噪，相比傳（chuán）統汽車更為安靜。

表1 Mirai參數

數據來源：2016 Mirai Product Information

2.子係統

（1）燃料電池堆

Mirai的燃料電池為（wéi）固體聚（jù）合物電解質燃（rán）料電池（Solid polymer electrolyte FC），最大輸出功率為114千瓦（wǎ），由370片電池組成，重量僅56kg，體積僅37L。

體積（jī）功率密度和質量功（gōng）率密度分別為3.1kW/L，2.0kW/kg，升壓變頻器負責（zé）將（jiāng）電壓提升（shēng）至650V，以滿足高性能電動（dòng）機的需求，處於世界領先水平。

除（chú）了為汽車提供動（dòng）力外，Mirai的燃料電（diàn）池堆還可以為其他設備供電，Mirai可以作為備用發電機使用（yòng）。

表2 燃料電（diàn）池（chí）堆參數

數據來源（yuán）：2016 Mirai Product Information

（2）儲能電池

為了提高效率，Mirai後（hòu）備箱中有（yǒu）一塊鎳（niè）氫儲能電池，用於吸收燃料電池組輸出剩餘（yú）的電（diàn）能和車輛行駛過程中（zhōng）回收的電能，供汽車急加速或（huò）車載電池使用。

（3）高壓儲氫罐

氫燃料的安全存（cún）儲是氫燃料電池汽（qì）車最重要（yào）的問題。Mirai在後排（pái）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（qì）的攻擊。

氫氣具有可燃性，在空氣中點燃可能發生爆（bào）炸。豐田通過優化車（chē）身結構保護了儲氫罐，在80km/h的追尾試驗中，儲氫罐保持完好。碰撞後，氫氣會以（yǐ）安全的（de）速度被強（qiáng）製排出，杜絕爆炸的風險。

Mirai的加氫口位於車（chē）身的（de）左後方，最高可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業的加氫設備，3分（fèn）鍾內即（jí）可為Mirai加滿氫氣。充滿之（zhī）後，5kg的氫氣可以驅動Mirai行駛650km（日本的JC08標準）。

表3 高壓儲氫罐參數

數據來源：2016 Mirai Product Information

（4）驅動電機

Mirai使用的驅動電機（jī）與豐田的混合動力汽車（chē）相同，均為同步交流（liú）電機。該驅動電機的最大功率為（wéi）113千瓦，最大扭矩為335Nm。

（5）FC升壓變頻器

TFCS係統中，燃料電池發出的電能還需要經過升壓變頻器的升壓才能供給電動機使用，最大輸出電壓為650V。

（6）動力控製裝置

動（dòng）力控製裝置由逆變器、升壓轉換（huàn）器和DC/DC轉換器組成，用於精確控製燃料電池堆的輸出和（hé）電池（chí）的充電及放電。

FCV價格高昂，主要（yào）是燃料電池堆的成本一直下不來，然而豐田顯然找到了（le）解決問題的（de）關鍵。和豐田在（zài）2008年推出的燃（rán）料電（diàn）池係統相（xiàng）比，Mirai的燃料電池係統成本降低了95%！

三、 豐田燃料電（diàn）池相關專利分析

1.專利年度分布（bù）

截至2017年5月12日，豐田汽車已在21個（gè）國家和地區、2個國際知識產權組織（zhī）申請了15867件與燃料電（diàn）池相關的專利。

2004年到2009年，豐田汽（qì）車與燃料電池相關的專利申請數量大（dà）幅增（zēng）長，期間該技術領域年均專利申請量為（wéi）1895件,說明豐田汽車在這（zhè）幾年開展了大量氫燃料電（diàn）池技術研究。

2009年後，豐田汽車與燃料電（diàn）池相關的專利申請數量（liàng）逐（zhú）漸下降，年（nián）申請量回落到500件左右。

直到2014年，專利申請數量再度回升，2015年的專利申請量重新回到1000件以上，表明當下豐田公司對燃料電池技術研究的熱情（qíng）逐漸回升，未來可能有較多新技術和新產品麵世。

圖2 專利年度申請（qǐng）量

數據來源：Innography.com

2.全球專利布局

從與燃料電池相關的全球專利布局來（lái）看，豐田汽車的專利申請主要（yào）覆蓋日本、美國、中國、世界知識產權組織（zhī）、歐洲專利局等21個國家、地區和2個國際知識產權組（zǔ）織。

其中，豐田汽車（chē）在其總部所在地日本的專利申請（qǐng）最（zuì）大，累積申請與燃料（liào）電池相關的專利8712件，占該領域（yù）總量的55%，說明豐田汽車對本土燃料電池市場的重視（shì）。

此外，在美國的申請量占12.2%，在中國的申請量占9.2%，顯示豐田汽車對這些地區燃料電（diàn）池（chí）汽車市場（chǎng）的重視。

圖3 專利全球布局

數（shù）據來源：Innography.com

3. 技術（shù）研發重點

為了研究豐田汽車與氫能和燃（rán）料電池相（xiàng）關的技術研（yán）發情況，利用專利文（wén）本挖（wā）掘和IPC國（guó）際專利分類進一步展開分析，可以（yǐ）看出該公司技術重點集中在氫（qīng）泵、排水閥、電解質膜、儲氫（qīng）罐等技術。

從IPC分類號來看，豐田（tián）汽車在H01M8燃料電池及其製造領域申請的專利數量最多，達到9671件，占總量（liàng）的61%。專利申請數量第二多的技術領域是H01M4電極，占總量的9.5%。

圖4 關鍵技術概念

數據來源：Orbit.com

表4 關鍵技術（shù）領域專利申請量排序

數據來源：Innography.com

4.合作（zuò）與借（jiè）鑒

對豐田汽車（chē）申請的與氫能（néng）和燃料電池相關專利進行申請人分析，其結（jié）果顯示了該企業與其（qí）他企業或個人（rén）的合作（zuò）研發情況。

由（yóu）下圖可以看（kàn）出，公司（sī）與愛信、Nippon Soken、豐田中央研發實驗室等集團內外（wài）部企業和（hé）科研機構有大量合作。

技術的借鑒（jiàn）方（fāng）麵，本田汽車與氫燃料電池相關的專利被本田汽車、日（rì）產汽車、鬆下公司引用較多，同時也引用本田汽車、日產汽（qì）車、鬆下公司較多專利，豐田汽車與這三（sān）家公司之間的技術關聯度較高，互相引用、借鑒大量專利。

圖5 專利合（hé）作申請情況（kuàng）

數（shù）據來源：Orbit.com

圖6 申請人間引用情況

數據來源：Innography.com

5.發明人分析

豐田汽車與燃料電池（chí）相關技術的（de）高產發明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等，其中發明人包括Yoshiaki Naganuma的專利申請328件，占公司專利總量的2.1%。

申請量排名（míng）前10發明人是公司技術研發核心團隊，申請（qǐng）專利1940項，占公司專利總量的12.2%，說（shuō）明公司科研（yán）團隊龐大，科研人才較多。

圖7 專利（lì）發明人

數（shù）據來源：Innography.com

6.專利（lì）價值分析

Innography將近十（shí）年美（měi）國授權專利各指標的平均數值作為評價標準，歸一化後繪製成雷達圖。下圖中右側（cè）圖例中（zhōng）的數據即為各項指標的標準數值，在雷達圖中以數值為（wéi）1表示。

從圖中可以看到豐田汽車與燃料電池相關的專利在訴訟、專利引用上遠（yuǎn）低於平均值，說明豐田汽車的專利訴訟（sòng）較少且專利原創度較高，通過借鑒或合作進行（háng）的創新較少。豐田汽車專（zhuān）利的發明人高於平均值，說明其發明團隊較大。

圖8 專利價值分析

數據來源：Innography.com

下圖顯（xiǎn）示，豐田汽車（chē）與燃料電池相關的專利（lì）總量為15867件，其中，10782件專（zhuān）利是有效的，包括5373件有效授權和5409件有效申請。豐田汽車失效專利數量較少（shǎo），僅為5085件，占專利總（zǒng）量的（de）32%。

圖9 專利（lì）有效性

數據來（lái）源：Innography.com

Innography專利強度指標參考了10餘個專利價值的相關指標，包括：專利（lì）權利（lì）要求（qiú）數量、引（yǐn）用先前技術文獻數量、專利被引（yǐn）用次（cì）數（shù）、專利及專（zhuān）利申（shēn）請案的家族、專利申（shēn）請時程、專利年齡、專利訴（sù）訟等，如果一件專利強度越高，可以確定該專利的質量和影響力越高。

對豐田汽車的所有與燃料電池相關的（de）專利族進行（háng）專利強度分析，發現其專利強度超過90的專利有88件，涉及氫燃料電池控（kòng）製係統、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池製（zhì）造等（děng）。88件專利全部有效，僅有3件專利將（jiāng）在2020年（nián）前失效。

表5 高專利強（qiáng）度專利情況

來源：數字（zì）化企業