2026-04-11 20:57:01
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豐田汽車（Toyota Motor Corporation）是全球最大的整車企業之一，創立已有80duonianlishi，zaiquanqiuwushiduogeguojiayouzuzhuanggongchang，shidiyijiaqichenianxiaoliangchaoguoqianwandezhengcheqiye。fengtianqichezhuyaodeneibugongsianchanpinleixinghediqukefenwei7個子公司和2個事業部，分別為先進技術開發公司、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、動力總成公司和新成立的互聯汽車公司以及負責北美、歐洲和非洲業務的第一事業部和負責中國，亞洲，中東和北非，東亞及大洋洲，拉丁美洲及加勒比地區的第二事業部。
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為0.8兆日元，2016財年的研發投入最高，為1.06兆日元，研發費用占比為3.7%。近三年來，豐田汽車的研發費用和研發費用占比變化幅度不大，研發費用維持在1兆日元以上。
圖1 公司研發費用及營收占比（單位：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)排放量比2010年削減90%。
yinci，fengtianqichejinnianlaizaixinnengyuanqiche，youqishiranliaodianchiqicheshangtouruledaliangyanfazijin。congchangqilaikan，muqianfengtianqichedeyanfakaizhizhengchuyulishigaowei，keyirenweifengtianqicheduiyukeyanshifenzhongshi，weilaikenenghuiyoudaliangxinnengyuanjishuhechanpintuichu。
youyuchuantongdianchijishudexianzhi，fengtiangaocengrenweiranliaodianchicheshizhongjihuanbaoche，fengtianqichejinnianlaijiangqiweilaiyanfazhongxincongjishuchengshudehunhedongliqichezhujianzhuanxiangranliaodianchiqiche。fengtianqicheyu1992年便開始研發燃料電池汽車，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，但受製於昂貴的單價和基礎設施不足，該階段的燃料電池汽車沒有量產和商品化。
2014年12月15日，豐田汽車在日本發布全球首款量產氫燃料電池汽車Mirai，Mirai是世界上率先投入量產的燃料電池汽車。Mirai的售價為723.6萬日元（約44萬人民幣），經政府補貼後，實際的售價在520萬日元左右（約31萬人民幣），上市首月的訂單達到1200輛。目前，氫燃料的售價約為1000日元/千克，Mirai的儲氫罐可儲存5千克氫氣，加滿氫氣僅需3-5分鍾，加注後可行駛650千米，每公裏的成本約為8日元（約0.49元人民幣）。
豐田Mirai采用了全新設計的底盤，以及新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、高壓儲氫罐、升壓變頻器、電動機、動力控製單元等等。
值得注意的是，豐田Mirai可利用燃料電池係統產生的電能為家庭供電。日本的自然災害比較多，Mirai作zuo為wei應ying急ji電dian源yuan在zai救jiu援yuan工gong作zuo中zhong可ke以yi發fa揮hui很hen大da作zuo用yong。氫qing燃ran料liao電dian池chi汽qi車che的de續xu航hang和he加jia注zhu燃ran料liao的de時shi間jian與yu普pu通tong內nei燃ran機ji汽qi車che無wu異yi，明ming顯xian優you於yu純chun電dian動dong汽qi車che。但dan加jia氫qing站zhan等deng基ji礎chu設she施shi的de建jian設she是shi氫qing燃ran料liao電dian池chi汽qi車che未wei來lai發fa展zhan不bu得de不bu麵mian臨lin的de難nan題ti。為wei了le使shi更geng多duo的de氫qing燃ran料liao電dian池chi汽qi車che上shang路lu，豐feng田tian無wu償chang地di對dui外wai公gong開kai了le約yue5680項燃料電池相關專利，希望以此鼓勵其他汽車廠商推出燃料電池汽車，降低加氫站等基礎設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%。由於產能有限，目前訂購Mirai的消費者需要等待至少兩年時間才能提車，豐田汽車預計到2020年，Mirai的年產量將在30000台左右。
Mirai使用的燃料電池係統（Toyota Fuel Cell System, 簡稱TFCS）由豐田汽車自主研發，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、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。
Mirai的續航裏程達到502km，最高輸出功率為114kW，最高時速為175km/h。Mirai的輸出功率以及最高時速和加速與當前市售的家用轎車相差無幾，且由於沒有內燃機，Mirai在行駛過程中隻有胎噪，相比傳統汽車更為安靜。
表1 Mirai參數
型號
Mirai
續航
502km
最高輸出功率
153HP（114kW）
最高時速
175km/h
0-100km/h加速
9s
阻力係數
0.29
冷啟動能力
-30℃
數據來源：2016 Mirai Product Information
（1）燃料電池堆
Mirai的燃料電池為固體聚合物電解質燃料電池（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。體積功率密度和質量功率密度分別為3.1kW/L，2.0kW/kg，升壓變頻器負責將電壓提升至650V，以滿足高性能電動機的需求，處於世界領先水平。除了為汽車提供動力外，Mirai的燃料電池堆還可以為其他設備供電，Mirai可以作為備用發電機使用。
表2 燃料電池堆參數
名稱
Toyota FC Stack
燃料電池類型
固體聚合物電解質燃料電池
加濕係統
內部循環係統（無加濕器）
最高輸出功率
153HP（114kW）
功率密度
3.1kW/L
2.0kW/kg
電池
單體數量：370（單線堆疊）
厚度：1.34mm
重量：102g
單體流場：3D精細網格流場（陰極）
安裝位置
地板下方
數據來源：2016 Mirai Product Information
（2）儲能電池
為了提高效率，Mirai後備箱中有一塊鎳氫儲能電池，用於吸收燃料電池組輸出剩餘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）高壓儲氫罐
氫燃料的安全存儲是氫燃料電池汽車最重要的問題。Mirai在後排座椅下方布置了兩個最大可承受70兆帕壓力的高壓儲氫罐，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，在空氣中點燃可能發生爆炸。豐田通過優化車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，氫氣會以安全的速度被強製排出，杜絕爆炸的風險。
Mirai的加氫口位於車身的左後方，最高可以承受87.5Mpa的加注壓力。配合專業的加氫設備，3分鍾內即可為Mirai加滿氫氣。充滿之後，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
名稱
HYDROGEN TANKS
燃料電池類型
固體聚合物電解質燃料電池
儲存方式
炭纖維高壓罐
高壓儲氫罐數量
2
材料
內層：塑料襯裏（防止氫氣泄漏）
中層：碳纖維增強塑料（結構件）
表麵層：玻璃纖維增強塑料（保護外表麵免受磨損）
燃料
壓縮氫氣
最大加注壓力
87.5MPa
正常運行壓力
70MPa
儲存密度
5.7 weight %
內部容量
122.4L=60L(Front)+62.4L(Rear)
最大儲氫量
5kg
加注時間
3-5min
數據來源：2016 Mirai Product Information
（4）驅動電機
Mirai使用的驅動電機與豐田的混合動力汽車相同，均為同步交流電機。該驅動電機的最大功率為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
動力控製裝置由逆變器、升壓轉換器和DC/DC轉換器組成，用於精確控製燃料電池堆的輸出和電池的充電及放電。
FCV價格高昂，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鍵。和豐田在2008年推出的燃料電池係統相比，Mirai的燃料電池係統成本降低了95%！
1.專利年度分布
截至2017年5月12日，豐田汽車已在21個國家和地區、2個國際知識產權組織申請了15867件與燃料電池相關的專利。2004年到2009年，豐田汽車與燃料電池相關的專利申請數量大幅增長，期間該技術領域年均專利申請量為1895件,說明豐田汽車在這幾年開展了大量氫燃料電池技術研究。2009年後，豐田汽車與燃料電池相關的專利申請數量逐漸下降，年申請量回落到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看，豐田汽車的專利申請主要覆蓋日本、美國、中國、世界知識產權組織、歐洲專利局等21個國家、地區和2個國際知識產權組織。其中，豐田汽車在其總部所在地日本的專利申請最大，累積申請與燃料電池相關的專利8712件，占該領域總量的55%，說明豐田汽車對本土燃料電池市場的重視。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池汽車市場的重視。
圖3 專利全球布局
數據來源：Innography.com
3. 技術研發重點
為了研究豐田汽車與氫能和燃料電池相關的技術研發情況，利用專利文本挖掘和IPC國際專利分類進一步展開分析，可以看出該公司技術重點集中在氫泵、排水閥、電解質膜、儲氫罐等技術。從IPC分類號來看，豐田汽車在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 關鍵技術領域專利申請量排序
序號
關鍵技術
專利數量
百分比
1
燃料電池；及其製造
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；氫的淨化
434
2.7%
4
用車輛內部電源的電力牽引
303
2.0%
5
電動力裝置的布置或安裝
240
1.5%
數據來源：Innography.com
4.合作與借鑒
對(dui)豐(feng)田(tian)汽(qi)車(che)申(shen)請(qing)的(de)與(yu)氫(qing)能(neng)和(he)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)相(xiang)關(guan)專(zhuan)利(li)進(jin)行(xing)申(shen)請(qing)人(ren)分(fen)析(xi)，其(qi)結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)了(le)該(gai)企(qi)業(ye)與(yu)其(qi)他(ta)企(qi)業(ye)或(huo)個(ge)人(ren)的(de)合(he)作(zuo)研(yan)發(fa)情(qing)況(kuang)。由(you)下(xia)圖(tu)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，公(gong)司(si)與(yu)愛(ai)信(xin)、Nippon Soken、豐田中央研發實驗室等集團內外部企業和科研機構有大量合作。技術的借鑒方麵，本田汽車與氫燃料電池相關的專利被本田汽車、日產汽車、鬆下公司引用較多，同時也引用本田汽車、日產汽車、鬆下公司較多專利，豐田汽車與這三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 專利合作申請情況
數據來源：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相關技術的高產發明人包括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%。申請量排名前10發明人是公司技術研發核心團隊，申請專利1940項，占公司專利總量的12.2%，說明公司科研團隊龐大，科研人才較多。
圖7 專利發明人
數據來源：Innography.com
6.專利價值分析
Innography將(jiang)近(jin)十(shi)年(nian)美(mei)國(guo)授(shou)權(quan)專(zhuan)利(li)各(ge)指(zhi)標(biao)的(de)平(ping)均(jun)數(shu)值(zhi)作(zuo)為(wei)評(ping)價(jia)標(biao)準(zhun)，歸(gui)一(yi)化(hua)後(hou)繪(hui)製(zhi)成(cheng)雷(lei)達(da)圖(tu)。下(xia)圖(tu)中(zhong)右(you)側(ce)圖(tu)例(li)中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)即(ji)為(wei)各(ge)項(xiang)指(zhi)標(biao)的(de)標(biao)準(zhun)數(shu)值(zhi)，在(zai)雷(lei)達(da)圖(tu)中(zhong)以(yi)數(shu)值(zhi)為(wei)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、zhuanliyinyongshangyuandiyupingjunzhi，shuomingfengtianqichedezhuanlisusongjiaoshaoqiezhuanliyuanchuangdujiaogao，tongguojiejianhuohezuojinxingdechuangxinjiaoshao。fengtianqichezhuanlidefamingrengaoyupingjunzhi，shuomingqifamingtuanduijiaoda。
圖8 專利價值分析
數據來源：Innography.com
下圖顯示，豐田汽車與燃料電池相關的專利總量為15867件，其中，10782件專利是有效的，包括5373件有效授權和5409件有效申請。豐田汽車失效專利數量較少，僅為5085件，占專利總量的32%。
圖9 專利有效性
數據來源：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：專利權利要求數量、引用先前技術文獻數量、專利被引用次數、專利及專利申請案的家族、專利申請時程、專利年齡、專利訴訟等，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專利族進行專利強度分析，發現其專利強度超過90的專利有88件，涉及氫燃料電池控製係統、燃料電池堆、冷卻裝置、燃料電池製造等。88件專利全部有效，僅有3件專利將在2020年前失效。
表5 高專利強度專利情況
專利公開號
申請日
專利名稱
有效性
失效日
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