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[行业动态] 丰田燃料电池专利布局研究与分析

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发表于 2020-5-15 09:07:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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丰田燃料电池专利布局研究与分析

王军雷 王亮亮

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津300300)

中国汽车材料网【摘要】2019年4月份,丰田宣布开放汽车电动化领域的23 740项专利,其中共涉及燃料电池领域专利约8 060项,本文对丰田所布局的燃料电池领域专利进行系统研究和分析,从技术领域、申请年份、保护策略、重点技术领域以及产业链布局等多个方面全方位解析丰田燃料电池专利保护与研发策略。
主题词:丰田 燃料电池 专利 电动化 电堆


1 前言
2019年4月初,丰田宣布开放汽车电动化领域的23 740项专利,上述电动化技术可用于油电混合动力(HEV)、外插充电式混合动力(PHEV)、纯电动(EV)以及燃料电池(FCV)等多种形式的电动化汽车开发,包括电机、电控、系统控制以及燃料电池等核心技术;其中共涉及燃料电池领域专利约8 060项,占开放专利总量的约1/3,相比2015年初丰田首次公开的5 680件燃料电池领域专利[1-2],在2015~2019年间丰田全球范围内燃料电池专利数量增长了2 380件,反映出丰田在2015年以后对于燃料电池技术研发和专利申请非常活跃。本文针对丰田在全球范围内以及中国的燃料电池专利进行分析与研究,全方位揭示其研发活动和专利保护策略。

2 全球范围专利分析
2.1 年度申请趋势
丰田公司最早在1992年便开始研发燃料电池汽车,结合丰田燃料电池汽车车型的发展变化,2002年在日本、美国等地限量发售FCHV车型,在2008年推出FCHV-adv车型,并且在2014年推出量产车型Mirai。
其全球范围专利申请量的变化也燃料电池研发以及车型的更新密切相关,丰田从1992年开始FCV研发工作,1993年便开始申请燃料电池领域的专利保护,可见其专利保护与研发是紧密配合的,二者只相差一年;2000年以后专利申请量增幅开始变大,在2007年达到最高峰,随后开始逐步下降,而在次年的2008年,丰田发布了FCHV-adv,从专利申请来看(图1),丰田燃料电池领域的核心和基础专利在2010年左右基本已经布局完成;到2014年底,随着Mirai的临近发布,其专利申请量再次出现上升趋势,并且在2015年出现了第二个高峰,随后处于基本稳定的状态,年均申请量在400~500件之间;由此可见丰田会在新车型发布之前集中对核心技术进行专利保护,避免出现专利风险。
值得注意的是,丰田正式推出首款量产燃料电池车型Mirai是在2014年底,但是其技术研发和专利申请在该车型推出20年以前的1993年就已经开始,可见其持续的研发投入和长期技术规划能力(图2)。

图1 丰田燃料电池专利全球申请量年度变化



图2 丰田燃料电池汽车发展历史[3]


2.2 专利地域分布
丰田燃料电池专利主要布局在本国、以及中美欧等产销大国和地区,具体分布比例如图3,其中日本国内占比最高,约为41%,欧洲、美国和中国的专利布局数量基本一致,反映出日本对于海外三大市场区域的重视程度基本一致,除中美欧外的其他区域专利占比约为13%,主要包括韩国、加拿大等国家。

图3 丰田燃料电池专利地域分布


2.3 专利技术领域分布
从丰田燃料电池在全球范围内布局的技术领域来看,涉及燃料电池系统集成和系统控制的专利占比最高,达到52%,系统控制一直是丰田的强项,在混动领域如此,在燃料电池领域也是一样;其次就是燃料电池产业链的核心部件-燃料电池堆,电堆可以占到整个燃料电池汽车成本的6成左右,而丰田在电堆领域也布局了占比为39%的专利数量,结合近期丰田与国内亿华通、上海重塑等燃料电池系统供应商的合作,可以预见在未来,丰田将会利用其在电堆上的技术和成本优势向国内企业提供燃料电池电堆,进而实现由整车制造商向整车制造加系统供应商的角色转变;除去核心的系统控制和电堆,在高压氢气罐以及加氢站等基础设施领域,丰田也有相应的专利布局,体现了对于丰田燃料电池全产业链的把控和专利保护。
丰田在Mirai车型的开发过程中,主要针对燃料电池电堆、高压氢气罐和FC升压转化器等核心零部件进行研发,并且相关性能参数属于行业领先或者最高水平,例如针对电堆,功率密度由2008年的1.4 kW/L提升至3.1 kW/L,同时采用内循环模式,取消了使用加湿器来对质子交换膜进行加湿,同时对电堆的布置形式进行了改进,使得体积由64 L降低到37 L、质量由108 kg降低到56 kg;同时采用碳纤维材质的氢气罐,压力可以达到70 MPa,数量由4个减少至2个,进一步降低氢气罐所占用的体积;结合专利布局的分析结果,可见丰田针对重点部件的研发与改进也都布局了大量的专利,包括燃料电池电堆和高压氢气罐等(图4、图5)。同时,经过不断的研发和技术改进,丰田得以大幅度降低燃料电池汽车的成本,Mirai成本已经降到了2008年发布的FCHV-adv车型的1/20之一,这也是Mirai可以量产的重要原因之一,形成研发-专利-产品之间的良性循环。

图4 丰田燃料电池专利技术领域




图5 丰田Mirai车型重点改进技术[4]


2.4 重点核心专利分析
丰田在燃料电池领域的专利全球布局范围很广,且持续时间很长,依据专利维持年限、被引用次数以及专利布局国家数等多个因素,丰田公司内部对授权专利会进行定期评价,因此维持年限长的专利说明对于公司而言是重要专利;布局国家越多,说明该技术需要在全球内进行保护,必然可以反映其重要性,被引证次数反映了该专利的技术价值和对于后续开发的重要参考价值,综合上述三个因素,筛选出丰田在燃料电池领域的TOP10核心专利,主要涉及燃料电池系统及车辆、燃料电池检测方法等,见表1。
表1 丰田燃料电池汽车核心专利列表



3 在华燃料电池专利分析
3.1 年度申请趋势
丰田在华的燃料电池专利申请趋势图与其在全球范围内年度申请趋势基本保持一致,首篇专利申请是在1998年,同样也是在2007年和2015年出现两个高峰,并且在近两年保持比较高的专利布局强度。

图6 丰田燃料电池专利在华申请量年度变化


3.2 在华燃料电池专利技术维度分析
3.2.1 技术领域分析
依托“全球汽车专利数据库”中的人工专利标引与数据加工模块,将丰田在华燃料电池进行人工二次分类和标引,主要技术领域分布如下:其中燃料电池系统、燃料电池堆、高压氢气罐、燃料电池催化剂、膜电极组件、隔板、质子交换膜、燃料电池测试、加氢站等领域均有专利布局(图7),显示出丰田在燃料电池全产业链的完备专利布局策略,在核心的燃料电池系统和电堆领域更是研发和专利保护的重中之重。

图7 丰田燃料电池在华专利技术领域分布


3.2.2 技术手段分析
从技术手段进行分析,丰田在燃料电池领域的主要技术手段包括结构设计、电控、工艺改进和材料改进等(图8),同在华所有燃料电池申请人申请的专利平均水平相比,丰田燃料电池领域专利的结构设计比例更低,采用电控和工艺设计的专利比例则明显更高,这也与丰田在燃料电池系统控制领域布局大量专利相对应,纵观丰田此次专利开放的技术领域,控制类专利仍然是丰田的核心技术和强项所在,燃料电池领域也不例外。

图8 丰田燃料电池在华专利技术手段分布


3.2.3 技术效果分析
从丰田在华燃料电池专利的技术效果统计分析,提高燃料电池的性能和可靠性仍然是主要的改进目标所在,包括对燃料电池堆的性能和耐久性的提升,以及对于燃料电池系统控制的精确性和可靠性的提高是丰田专利的主要改进和技术效果所在(图9)。

图9 丰田燃料电池在华专利技术效果分布


3.3 合作研发与联合专利申请
以丰田Mirai为例,其车型所采用的核心零部件如催化剂、氢气罐、双极板、密封圈等都是来自丰田的下属企业或者控股公司,包括电装、丰田纺织、科特拉、爱信精机等,显示了丰田十分完整的燃料电池产业布局和较为封闭的供应链体系[5-6];在合作研发和专利联合申请上,也主要是跟上述供应链企业进行合作(表2),比如在核心的Pt催化剂领域主要跟株式会社科特拉公司进行合作研发和专利布局,并且合作申请专利的比例很小,显示了丰田对于燃料电池上下游核心技术的独立研发与掌控力度,从侧面印证了其较为保守的独立研发策略。
表2 丰田燃料电池专利联合申请单位



3.4 专利转让
丰田在华燃料电池共转让专利20件,可见丰田对于燃料电池专利领域的专利仍然主要以保护为主,专利转让的比例极低,且转让的专利多数也是合作研发的专利权人之间的转让或者是丰田的子公司之间的转让,对外转让几乎只有奥迪股份公司一家。
3.5 专利类型与有效性
丰田燃料电池领域在华布局专利全部为发明专利,这与目前国内申请人实用新型占有很大比例有着本质的区别。
从在华专利法律状态分析(图10),授权专利占比54%,终止专利占比16%,处在审查或公开阶段为17%,驳回和撤回比例分别为3%和10%,可见丰田的燃料电池专利保持了很高的授权率,被驳回的比例很少,显示了其技术的原创性以及专利文件的撰写水平较高。

图10 丰田燃料电池在华专利法律状态


4 结束语
从丰田燃料电池专利布局进行分析,其研发和专利布局超过20年,且在全球主要的汽车市场目标国家和地区有大量专利布局,保证了其创新成果在主要目标市场的知识产权保护;从产业链研发和专利布局来看,丰田的专利布局几乎涵盖全部的产业链,从催化剂、质子交换膜到膜电极,再到电堆以及燃料电池控制系统,直到最后的整车集成与控制,涵盖燃料电池汽车从核心零部件到整车制造的全产业链,显示出丰田在燃料电池汽车的长期投入和深厚实力。如今丰田积极推动燃料电池专利技术开放,一方面是由于其自身的技术优势明显,其他车企短时间内无法与其形成明显竞争,同时丰田也希望通过专利公开,推动更多企业参与到燃料电池汽车的研发和生产;另一方面丰田更希望加快推动燃料电池的产业化进程,当前燃料电池汽车产业正处在技术研发向市场化转型的关键阶段,丰田专利开放可以消除对于发展燃料电池产业所面临的专利壁垒和侵权风险,同时加快与国内企业的合作和供应体系融合,从而从技术研发、成本降低以及基础设施建设等多角度推动燃料电池产业的发展。

参考文献
[1]海川.丰田为何开放燃料电池专利[J].新经济导刊,2015(03):72-75.
[2]孙晶晶,李红梅,李然,等.丰田氢能源燃料电池及氢燃料罐中国专利态势分析[J].企业技术开发,2015,4(10):8-10.
[3]Toyota.History of Toyota’s Fuel Cell Vehicles[EB/OL].[2019-09-16].https://www.toyota-global.com/pages/contents/innovation/intelligent_transport_systems/world_con -gress/2014detroit/pdf/History_of_Toyota_s_Fuel_Cell.pdf.
[4]Yoshikazu T.TOYOTA’s next generation vehicle strategy and Fuel Cell Vehicle MIRAI’s Development.[EB/OL].(2015.4.1). http://www.taia.or.th/home/media/file/49923981428457602.pdf.
[5]裴冯来,高怡晨,郭则新.氢燃料电池汽车产业链发展研究[J].质量与标准化,2018(01):51-54.

[6]杨铁军.产业专利分析报告(第38册)-新能源汽车[M].北京:知识产权出版社,2015年.
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