豐田燃料電池專利布局研究與分析＊

王軍雷 王亮亮

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：豐田 燃料電池 專利 電動化 電堆

1 前言

2019年4月初，豐田宣布開放汽車電動化領域的23 740項專利，上述電動化技術可用于油電混合動力(HEV)、外插充電式混合動力(PHEV)、純電動(EV)以及燃料電池（FCV）等多種形式的電動化汽車開發，包括電機、電控、系統控制以及燃料電池等核心技術；其中共涉及燃料電池領域專利約8 060項，占開放專利總量的約1/3，相比2015年初豐田首次公開的5 680件燃料電池領域專利[1-2]，在2015～2019年間豐田全球范圍內燃料電池專利數量增長了2 380件，反映出豐田在2015年以后對于燃料電池技術研發和專利申請非常活躍。本文針對豐田在全球范圍內以及中國的燃料電池專利進行分析與研究，全方位揭示其研發活動和專利保護策略。

2 全球范圍專利分析

2.1 年度申請趨勢

豐田公司最早在1992年便開始研發燃料電池汽車，結合豐田燃料電池汽車車型的發展變化，2002年在日本、美國等地限量發售FCHV車型，在2008年推出FCHV-adv車型，并且在2014年推出量產車型Mirai。

其全球范圍專利申請量的變化也燃料電池研發以及車型的更新密切相關，豐田從1992年開始FCV研發工作，1993年便開始申請燃料電池領域的專利保護，可見其專利保護與研發是緊密配合的，二者只相差一年；2000年以后專利申請量增幅開始變大，在2007年達到最高峰，隨后開始逐步下降，而在次年的2008年，豐田發布了FCHV-adv，從專利申請來看（圖1），豐田燃料電池領域的核心和基礎專利在2010年左右基本已經布局完成；到2014年底，隨著Mirai的臨近發布，其專利申請量再次出現上升趨勢，并且在2015年出現了第二個高峰，隨后處于基本穩定的狀態，年均申請量在400～500件之間；由此可見豐田會在新車型發布之前集中對核心技術進行專利保護，避免出現專利風險。

值得注意的是，豐田正式推出首款量產燃料電池車型Mirai是在2014年底，但是其技術研發和專利申請在該車型推出20年以前的1993年就已經開始，可見其持續的研發投入和長期技術規劃能力（圖2）。

2.2 專利地域分布

豐田燃料電池專利主要布局在本國、以及中美歐等產銷大國和地區，具體分布比例如圖3，其中日本國內占比最高，約為41%，歐洲、美國和中國的專利布局數量基本一致，反映出日本對于海外三大市場區域的重視程度基本一致，除中美歐外的其他區域專利占比約為13%，主要包括韓國、加拿大等國家。

圖3 豐田燃料電池專利地域分布

2.3 專利技術領域分布

從豐田燃料電池在全球范圍內布局的技術領域來看，涉及燃料電池系統集成和系統控制的專利占比最高，達到52%，系統控制一直是豐田的強項，在混動領域如此，在燃料電池領域也是一樣；其次就是燃料電池產業鏈的核心部件-燃料電池堆，電堆可以占到整個燃料電池汽車成本的6成左右，而豐田在電堆領域也布局了占比為39%的專利數量，結合近期豐田與國內億華通、上海重塑等燃料電池系統供應商的合作，可以預見在未來，豐田將會利用其在電堆上的技術和成本優勢向國內企業提供燃料電池電堆，進而實現由整車制造商向整車制造加系統供應商的角色轉變；除去核心的系統控制和電堆，在高壓氫氣罐以及加氫站等基礎設施領域，豐田也有相應的專利布局，體現了對于豐田燃料電池全產業鏈的把控和專利保護。

豐田在Mirai車型的開發過程中，主要針對燃料電池電堆、高壓氫氣罐和FC升壓轉化器等核心零部件進行研發，并且相關性能參數屬于行業領先或者最高水平，例如針對電堆，功率密度由2008年的1.4 kW/L提升至3.1 kW/L，同時采用內循環模式，取消了使用加濕器來對質子交換膜進行加濕，同時對電堆的布置形式進行了改進，使得體積由64 L降低到37 L、質量由108 kg降低到56 kg；同時采用碳纖維材質的氫氣罐，壓力可以達到70 MPa，數量由4個減少至2個，進一步降低氫氣罐所占用的體積；結合專利布局的分析結果，可見豐田針對重點部件的研發與改進也都布局了大量的專利，包括燃料電池電堆和高壓氫氣罐等（圖4、圖5）。同時，經過不斷的研發和技術改進，豐田得以大幅度降低燃料電池汽車的成本，Mirai成本已經降到了2008年發布的FCHV-adv車型的1/20之一，這也是Mirai可以量產的重要原因之一，形成研發-專利-產品之間的良性循環。

圖4 豐田燃料電池專利技術領域

圖5 豐田Mirai車型重點改進技術[4]

2.4 重點核心專利分析

豐田在燃料電池領域的專利全球布局范圍很廣，且持續時間很長，依據專利維持年限、被引用次數以及專利布局國家數等多個因素，豐田公司內部對授權專利會進行定期評價，因此維持年限長的專利說明對于公司而言是重要專利；布局國家越多，說明該技術需要在全球內進行保護，必然可以反映其重要性，被引證次數反映了該專利的技術價值和對于后續開發的重要參考價值，綜合上述三個因素，篩選出豐田在燃料電池領域的TOP10核心專利，主要涉及燃料電池系統及車輛、燃料電池檢測方法等，見表1。

表1 豐田燃料電池汽車核心專利列表

3 在華燃料電池專利分析

3.1 年度申請趨勢

豐田在華的燃料電池專利申請趨勢圖與其在全球范圍內年度申請趨勢基本保持一致，首篇專利申請是在1998年，同樣也是在2007年和2015年出現兩個高峰，并且在近兩年保持比較高的專利布局強度。

圖6 豐田燃料電池專利在華申請量年度變化

3.2 在華燃料電池專利技術維度分析

3.2.1 技術領域分析

依托“全球汽車專利數據庫”中的人工專利標引與數據加工模塊，將豐田在華燃料電池進行人工二次分類和標引，主要技術領域分布如下：其中燃料電池系統、燃料電池堆、高壓氫氣罐、燃料電池催化劑、膜電極組件、隔板、質子交換膜、燃料電池測試、加氫站等領域均有專利布局（圖7），顯示出豐田在燃料電池全產業鏈的完備專利布局策略，在核心的燃料電池系統和電堆領域更是研發和專利保護的重中之重。

圖7 豐田燃料電池在華專利技術領域分布

3.2.2 技術手段分析

從技術手段進行分析，豐田在燃料電池領域的主要技術手段包括結構設計、電控、工藝改進和材料改進等（圖8），同在華所有燃料電池申請人申請的專利平均水平相比，豐田燃料電池領域專利的結構設計比例更低，采用電控和工藝設計的專利比例則明顯更高，這也與豐田在燃料電池系統控制領域布局大量專利相對應，縱觀豐田此次專利開放的技術領域，控制類專利仍然是豐田的核心技術和強項所在，燃料電池領域也不例外。

圖8 豐田燃料電池在華專利技術手段分布

3.2.3 技術效果分析

從豐田在華燃料電池專利的技術效果統計分析，提高燃料電池的性能和可靠性仍然是主要的改進目標所在，包括對燃料電池堆的性能和耐久性的提升，以及對于燃料電池系統控制的精確性和可靠性的提高是豐田專利的主要改進和技術效果所在（圖9）。

圖9 豐田燃料電池在華專利技術效果分布

3.3 合作研發與聯合專利申請

以豐田Mirai為例，其車型所采用的核心零部件如催化劑、氫氣罐、雙極板、密封圈等都是來自豐田的下屬企業或者控股公司，包括電裝、豐田紡織、科特拉、愛信精機等，顯示了豐田十分完整的燃料電池產業布局和較為封閉的供應鏈體系[5-6]；在合作研發和專利聯合申請上，也主要是跟上述供應鏈企業進行合作（表2），比如在核心的Pt催化劑領域主要跟株式會社科特拉公司進行合作研發和專利布局，并且合作申請專利的比例很小，顯示了豐田對于燃料電池上下游核心技術的獨立研發與掌控力度，從側面印證了其較為保守的獨立研發策略。

表2 豐田燃料電池專利聯合申請單位

3.4 專利轉讓

豐田在華燃料電池共轉讓專利20件，可見豐田對于燃料電池專利領域的專利仍然主要以保護為主，專利轉讓的比例極低，且轉讓的專利多數也是合作研發的專利權人之間的轉讓或者是豐田的子公司之間的轉讓，對外轉讓幾乎只有奧迪股份公司一家。

3.5 專利類型與有效性

豐田燃料電池領域在華布局專利全部為發明專利，這與目前國內申請人實用新型占有很大比例有著本質的區別。

從在華專利法律狀態分析（圖10），授權專利占比54%，終止專利占比16%，處在審查或公開階段為17%，駁回和撤回比例分別為3%和10%，可見豐田的燃料電池專利保持了很高的授權率，被駁回的比例很少，顯示了其技術的原創性以及專利文件的撰寫水平較高。

圖10 豐田燃料電池在華專利法律狀態

4 結束語

從豐田燃料電池專利布局進行分析，其研發和專利布局超過20年，且在全球主要的汽車市場目標國家和地區有大量專利布局，保證了其創新成果在主要目標市場的知識產權保護；從產業鏈研發和專利布局來看，豐田的專利布局幾乎涵蓋全部的產業鏈，從催化劑、質子交換膜到膜電極，再到電堆以及燃料電池控制系統，直到最后的整車集成與控制，涵蓋燃料電池汽車從核心零部件到整車制造的全產業鏈，顯示出豐田在燃料電池汽車的長期投入和深厚實力。如今豐田積極推動燃料電池專利技術開放，一方面是由于其自身的技術優勢明顯，其他車企短時間內無法與其形成明顯競爭，同時豐田也希望通過專利公開，推動更多企業參與到燃料電池汽車的研發和生產；另一方面豐田更希望加快推動燃料電池的產業化進程，當前燃料電池汽車產業正處在技術研發向市場化轉型的關鍵階段，豐田專利開放可以消除對于發展燃料電池產業所面臨的專利壁壘和侵權風險，同時加快與國內企業的合作和供應體系融合，從而從技術研發、成本降低以及基礎設施建設等多角度推動燃料電池產業的發展。