氫燃料電池研究周報(bào)

研究周報(bào)| 豐田汽車在燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展及專利分析

第一電動(dòng)大牛作者曉宇說電池 2018-03-12 08:29

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，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 研發(fā)費(fèi)用及營收占比（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量；2016年，Mirai的銷量增至2000量，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)

型號(hào)	Mirai
續(xù)航	502km
最高輸出功率	153HP（114kW）
最高時(shí)速	175km/h
0-100km/h加速	9s
阻力系數(shù)	0.29
冷啟動(dòng)能力	-30℃

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

2.子系統(tǒng)

（1）燃料電池堆

Mirai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，重量僅56kg，體積僅37L。體積功率密度和質(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)

名稱	Toyota FC Stack
燃料電池類型	固體聚合物電解質(zhì)燃料電池
加濕系統(tǒng)	內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)（無加濕器）
最高輸出功率	153HP（114kW）
功率密度	3.1kW/L 2.0kW/kg
電池	單體數(shù)量：370（單線堆疊）厚度：1.34mm 重量：102g 單體流場(chǎng)：3D精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)（陰極）
安裝位置	地板下方

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)

名稱	HYDROGEN TANKS
燃料電池類型	固體聚合物電解質(zhì)燃料電池
儲(chǔ)存方式	炭纖維高壓罐
高壓儲(chǔ)氫罐數(shù)量	2
材料	內(nèi)層：塑料襯里（防止氫氣泄漏）中層：碳纖維增強(qiáng)塑料（結(jié)構(gòu)件）表面層：玻璃纖維增強(qiáng)塑料（保護(hù)外表面免受磨損）
燃料	壓縮氫氣
最大加注壓力	87.5MPa
正常運(yùn)行壓力	70MPa
儲(chǔ)存密度	5.7 weight %
內(nèi)部容量	122.4L=60L(Front)+62.4L(Rear)
最大儲(chǔ)氫量	5kg
加注時(shí)間	3-5min

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%！

圖片 1.png

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)國家和地區(qū)、2個(gè)國際知識(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，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?/p>

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、中國、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局等21個(gè)國家、地區(qū)和2個(gè)國際知識(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，在美國的申請(qǐng)量占12.2%，在中國的申請(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

序號(hào)	關(guān)鍵技術(shù)	專利數(shù)量	百分比
1	燃料電池；及其制造	9671	61.0%
2	電極	1512	9.5%
3	氫；含氫混合氣；從含氫混合氣中分離氫；氫的凈化	434	2.7%
4	用車輛內(nèi)部電源的電力牽引	303	2.0%
5	電動(dòng)力裝置的布置或安裝	240	1.5%

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

專利公開號(hào)	申請(qǐng)日	專利名稱	有效性	失效日
US7968242	2002/1/18	Onboard fuel cell system and method of discharging hydrogen-off gas	有效	2024/2/8
US7690458	2004/5/14	Control apparatus and control method for vehicle-mounted fuel cell power generation system	有效	2027/4/5
US8574789	2006/11/29	Dendritic metal nanostructures for fuel cells and other applications	有效	2026/11/22
US7967572	2003/10/30	Hydrogen operated power system	有效	2025/11/14
US7833678	2005/8/19	Fuel cell stack	有效	2027/6/7
US6615940	2000/12/15	Control system for vehicle having fuel cell	有效	2021/1/9
US8219248	2006/12/21	Control device and control method for cooling fan	有效	2029/5/21
US8123655	2006/5/10	Power output apparatus, drive system, and control method of power output apparatus	有效	2029/7/2
DE10043724	2000/9/5	An apparatus for controlling of a vehicle and method for regulating the vehicle	有效	2020/9/6
US7559389	2005/3/21	Fuel cell equipped vehicle	有效	2024/11/2
US7703564	2006/10/27	Fuel cell vehicle	有效	2023/3/17
US9283838	2009/5/28	Fuel cell system protection in a vehicle	有效	2032/3/7
DE10243100	2002/9/17	Method and apparatus for the production of diaphragm electrodes for fuel cells	有效	2022/9/18
US7611795	2004/11/29	Fuel cell manufacturing method and fuel cell	有效	2025/4/4
EP1854539	2006/2/3	Catalytic material and method for preparation thereof	有效	2026/2/3
US8119242	2007/5/22	Amorphous carbon film, process for forming amorphous carbon film, conductive member provided with amorphous carbon film, and fuel cell separator	有效	2029/5/17
US8603687	2008/12/26	Fuel cell system	有效	2030/7/9
US9093698	2006/10/20	Fuel cell stack casing	有效	2030/5/25
US8428802	2007/3/6	Vehicle assistance system	有效	2029/7/6
US7863838	2006/4/3	Power supply system provided with a plurality of power supplies, and vehicle provided with such power supply system	有效	2028/2/23
US7825063	2006/4/17	Hydrogen sulfide generation-suppressed catalyst	有效	2028/4/2
US7847495	2006/8/30	Hybrid vehicle and method of controlling the same	有效	2027/6/26
US8932769	2009/5/28	Fuel cell assembly and vehicle	有效	2030/6/22
EP0810682	1997/5/28	Fuel cells-based generator system and method of the same	有效	2017/5/28
US8607906	2009/5/19	Vehicle-installation structure for fuel cell	有效	2030/8/5
CN101448740	2007/5/22	Amorphous carbon film, method for forming amorphous carbon film, electroconductive member comprising amorphous carbon film, and separator for fuel battery	有效	2027/5/22
US7631712	2005/4/28	Mounting structure of electrical equipment	有效	2026/6/9
EP1137089	2001/3/12	Fuel cell gas separator, manufacturing method thereof, and fuel cell	有效	2021/3/12
US7270202	2004/12/10	Fuel cell vehicle	有效	2023/3/17
US8413751	2007/11/22	Vehicle and fuel cell vehicle-mounting method	有效	2029/5/21
US7196492	2002/12/19	Power supply apparatus including fuel cell and capacitor, and operation method thereof	有效	2024/6/12
US7575012	2006/1/24	Gas supply apparatus	有效	2025/11/30
EP1291949	2002/9/4	Fuel cell system, method of controlling the same, and vehicle mounted with the same	有效	2022/9/4
US7997966	2006/10/11	Cooling structure for electricity storage device	有效	2028/6/14
US8672359	2009/6/5	Tank support arrangements for a vehicle	有效	2029/6/5
US7981559	2005/3/16	Fuel cell system supply having a measuring device and a control device	有效	2028/5/18
US8302716	2006/10/11	Structure for installing electrical part	有效	2028/11/11
EP1429409	2003/11/20	Fuel cell system and method of starting the frozen fuel cell system	有效	2023/11/20
US8708005	2010/6/16	Gas filling system	有效	2030/6/16
US8459399	2009/5/28	Fuel cell system and vehicle	有效	2029/6/8
CN1980809	2005/4/22	Power output unit, vehicle using it and its control method	有效	2025/4/22
EP1855048	2006/2/20	Valve assembly for gas container	有效	2026/2/20
CN101366144	2006/12/21	Control device and control method for cooling fan	有效	2026/12/21
JP5310738	2008/12/26	Water content estimation apparatus and a fuel cell system of a fuel cell	有效	2028/12/26
DE112006001469	2006/6/19	A fuel cell device, their use and power management method for a system, which is equipped with a fuel cell unit	有效	2026/6/20
US8087537	2007/11/27	Pressure container	有效	2028/8/11
US7771856	2004/6/25	Energy output device and control method of energy output device	有效	2028/1/13
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來源：第一電動(dòng)網(wǎng)

作者：曉宇說電池

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