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(shù)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(lǐng)域的23 740項專利，上述電動化技術(shù)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(fā)，包括電機(jī)、電控、系統(tǒng)控制以及燃料電池等核心技術(shù)；其中共涉及燃料電池領(lǐng)域?qū)＠s8 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(lǐng)域?qū)＠鸞1-2]，在2015～2019年間豐田全球范圍內(nèi)燃料電池專利數(shù)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(shù)研發(fā)和專利申請非?；钴S。本文針對豐田在全球范圍內(nèi)以及中國的燃料電池專利進(jìn)行分析與研究，全方位揭示其研發(fā)活動和專利保護(hù)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(fā)燃料電池汽車，結(jié)合豐田燃料電池汽車車型的發(fā)展變化，2002年在日本、美國等地限量發(fā)售FCHV車型，在2008年推出FCHV-adv車型，并且在2014年推出量產(chǎn)車型Mirai。

其全球范圍專利申請量的變化也燃料電池研發(fā)以及車型的更新密切相關(guān)，豐田從1992年開始FCV研發(fā)工作，1993年便開始申請燃料電池領(lǐng)域的專利保護(hù)，可見其專利保護(hù)與研發(fā)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(dá)到最高峰，隨后開始逐步下降，而在次年的2008年，豐田發(fā)布了FCHV-adv，從專利申請來看（圖1），豐田燃料電池領(lǐng)域的核心和基礎(chǔ)專利在2010年左右基本已經(jīng)布局完成；到2014年底，隨著Mirai的臨近發(fā)布，其專利申請量再次出現(xiàn)上升趨勢，并且在2015年出現(xiàn)了第二個高峰，隨后處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，年均申請量在400～500件之間；由此可見豐田會在新車型發(fā)布之前集中對核心技術(shù)進(jìn)行專利保護(hù)，避免出現(xiàn)專利風(fēng)險。

值得注意的是，豐田正式推出首款量產(chǎn)燃料電池車型Mirai是在2014年底，但是其技術(shù)研發(fā)和專利申請在該車型推出20年以前的1993年就已經(jīng)開始，可見其持續(xù)的研發(fā)投入和長期技術(shù)規(guī)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(chǎn)銷大國和地區(qū)，具體分布比例如圖3，其中日本國內(nèi)占比最高，約為41%，歐洲、美國和中國的專利布局?jǐn)?shù)量基本一致，反映出日本對于海外三大市場區(qū)域的重視程度基本一致，除中美歐外的其他區(qū)域?qū)＠急燃s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(shù)領(lǐng)域分布

從豐田燃料電池在全球范圍內(nèi)布局的技術(shù)領(lǐng)域來看，涉及燃料電池系統(tǒng)集成和系統(tǒng)控制的專利占比最高，達(dá)到52%，系統(tǒng)控制一直是豐田的強(qiáng)項，在混動領(lǐng)域如此，在燃料電池領(lǐng)域也是一樣；其次就是燃料電池產(chǎn)業(yè)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(lǐng)域也布局了占比為39%的專利數(shù)量，結(jié)合近期豐田與國內(nèi)億華通、上海重塑等燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商的合作，可以預(yù)見在未來，豐田將會利用其在電堆上的技術(shù)和成本優(yōu)勢向國內(nèi)企業(yè)提供燃料電池電堆，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由整車制造商向整車制造加系統(tǒng)供應(yīng)商的角色轉(zhuǎn)變；除去核心的系統(tǒng)控制和電堆，在高壓氫氣罐以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，豐田也有相應(yīng)的專利布局，體現(xiàn)了對于豐田燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的把控和專利保護(hù)。

豐田在Mirai車型的開發(fā)過程中，主要針對燃料電池電堆、高壓氫氣罐和FC升壓轉(zhuǎn)化器等核心零部件進(jìn)行研發(fā)，并且相關(guān)性能參數(shù)屬于行業(yè)領(lǐng)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(nèi)循環(huán)模式，取消了使用加濕器來對質(zhì)子交換膜進(jìn)行加濕，同時對電堆的布置形式進(jìn)行了改進(jìn)，使得體積由64 L降低到37 L、質(zhì)量由108 kg降低到56 kg；同時采用碳纖維材質(zhì)的氫氣罐，壓力可以達(dá)到70 MPa，數(shù)量由4個減少至2個，進(jìn)一步降低氫氣罐所占用的體積；結(jié)合專利布局的分析結(jié)果，可見豐田針對重點(diǎn)部件的研發(fā)與改進(jìn)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(jīng)過不斷的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)，豐田得以大幅度降低燃料電池汽車的成本，Mirai成本已經(jīng)降到了2008年發(fā)布的FCHV-adv車型的1/20之一，這也是Mirai可以量產(chǎn)的重要原因之一，形成研發(fā)-專利-產(chǎn)品之間的良性循環(huán)。

圖4 豐田燃料電池專利技術(shù)領(lǐng)域

圖5 豐田Mirai車型重點(diǎn)改進(jìn)技術(shù)[4]

2.4 重點(diǎn)核心專利分析

豐田在燃料電池領(lǐng)域的專利全球布局范圍很廣，且持續(xù)時間很長，依據(jù)專利維持年限、被引用次數(shù)以及專利布局國家數(shù)等多個因素，豐田公司內(nèi)部對授權(quán)專利會進(jìn)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(shù)需要在全球內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，必然可以反映其重要性，被引證次數(shù)反映了該專利的技術(shù)價值和對于后續(xù)開發(fā)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(lǐng)域的TOP10核心專利，主要涉及燃料電池系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn)兩個高峰，并且在近兩年保持比較高的專利布局強(qiáng)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(shù)維度分析

3.2.1 技術(shù)領(lǐng)域分析

依托“全球汽車專利數(shù)據(jù)庫”中的人工專利標(biāo)引與數(shù)據(jù)加工模塊，將豐田在華燃料電池進(jìn)行人工二次分類和標(biāo)引，主要技術(shù)領(lǐng)域分布如下：其中燃料電池系統(tǒng)、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(zhì)子交換膜、燃料電池測試、加氫站等領(lǐng)域均有專利布局（圖7），顯示出豐田在燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的完備專利布局策略，在核心的燃料電池系統(tǒng)和電堆領(lǐng)域更是研發(fā)和專利保護(hù)的重中之重。

圖7 豐田燃料電池在華專利技術(shù)領(lǐng)域分布

3.2.2 技術(shù)手段分析

從技術(shù)手段進(jìn)行分析，豐田在燃料電池領(lǐng)域的主要技術(shù)手段包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、電控、工藝改進(jìn)和材料改進(jìn)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(lǐng)域?qū)＠慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計比例更低，采用電控和工藝設(shè)計的專利比例則明顯更高，這也與豐田在燃料電池系統(tǒng)控制領(lǐng)域布局大量專利相對應(yīng)，縱觀豐田此次專利開放的技術(shù)領(lǐng)域，控制類專利仍然是豐田的核心技術(shù)和強(qiáng)項所在，燃料電池領(lǐng)域也不例外。

圖8 豐田燃料電池在華專利技術(shù)手段分布

3.2.3 技術(shù)效果分析

從豐田在華燃料電池專利的技術(shù)效果統(tǒng)計分析，提高燃料電池的性能和可靠性仍然是主要的改進(jìn)目標(biāo)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(tǒng)控制的精確性和可靠性的提高是豐田專利的主要改進(jìn)和技術(shù)效果所在（圖9）。

圖9 豐田燃料電池在華專利技術(shù)效果分布

3.3 合作研發(fā)與聯(lián)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(yè)或者控股公司，包括電裝、豐田紡織、科特拉、愛信精機(jī)等，顯示了豐田十分完整的燃料電池產(chǎn)業(yè)布局和較為封閉的供應(yīng)鏈體系[5-6]；在合作研發(fā)和專利聯(lián)合申請上，也主要是跟上述供應(yīng)鏈企業(yè)進(jìn)行合作（表2），比如在核心的Pt催化劑領(lǐng)域主要跟株式會社科特拉公司進(jìn)行合作研發(fā)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(shù)的獨(dú)立研發(fā)與掌控力度，從側(cè)面印證了其較為保守的獨(dú)立研發(fā)策略。

表2 豐田燃料電池專利聯(lián)合申請單位

3.4 專利轉(zhuǎn)讓

豐田在華燃料電池共轉(zhuǎn)讓專利20件，可見豐田對于燃料電池專利領(lǐng)域的專利仍然主要以保護(hù)為主，專利轉(zhuǎn)讓的比例極低，且轉(zhuǎn)讓的專利多數(shù)也是合作研發(fā)的專利權(quán)人之間的轉(zhuǎn)讓或者是豐田的子公司之間的轉(zhuǎn)讓，對外轉(zhuǎn)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(lǐng)域在華布局專利全部為發(fā)明專利，這與目前國內(nèi)申請人實(shí)用新型占有很大比例有著本質(zhì)的區(qū)別。

從在華專利法律狀態(tài)分析（圖10），授權(quán)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(quán)率，被駁回的比例很少，顯示了其技術(shù)的原創(chuàng)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(tài)

4 結(jié)束語

從豐田燃料電池專利布局進(jìn)行分析，其研發(fā)和專利布局超過20年，且在全球主要的汽車市場目標(biāo)國家和地區(qū)有大量專利布局，保證了其創(chuàng)新成果在主要目標(biāo)市場的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)；從產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)和專利布局來看，豐田的專利布局幾乎涵蓋全部的產(chǎn)業(yè)鏈，從催化劑、質(zhì)子交換膜到膜電極，再到電堆以及燃料電池控制系統(tǒng)，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(chǎn)業(yè)鏈，顯示出豐田在燃料電池汽車的長期投入和深厚實(shí)力。如今豐田積極推動燃料電池專利技術(shù)開放，一方面是由于其自身的技術(shù)優(yōu)勢明顯，其他車企短時間內(nèi)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(yè)參與到燃料電池汽車的研發(fā)和生產(chǎn)；另一方面豐田更希望加快推動燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，當(dāng)前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正處在技術(shù)研發(fā)向市場化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，豐田專利開放可以消除對于發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)所面臨的專利壁壘和侵權(quán)風(fēng)險，同時加快與國內(nèi)企業(yè)的合作和供應(yīng)體系融合，從而從技術(shù)研發(fā)、成本降低以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多角度推動燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。