丰田的燃料电池汽车全面解析
丰田汽车（Toyota Motor Corporation）是全球最大的整车企业之一，创立已有80多年历史，在全球五十多个国家有组装工厂，是第一家汽车年销量超过千万的整车企业。
丰田汽车主要的内部公司按产品类型和地区可分为7个子公司和2个事业部，分别为先进技术开发公司、丰田小型车公司、中型车公司、商用车公司、雷克萨斯国际公司、动力总成公司和新成立的互联汽车公司，以及负责北美、欧洲和非洲业务的第一事业部和负责中国，亚洲，中东和北非，东亚及大洋洲，拉丁美洲及加勒比地区的第二事业部。
一、高研发投入瞄向减排汽车
技术研发方面，丰田汽车2001财年到2017财年的研发投入平均值为0.8兆日元（约485.79亿人民币），2016财年的研发投入最高，为1.06兆日元（约643.67亿人民币），研发费用占比为3.7%。
近三年来，丰田汽车的研发费用和研发费用占比变化幅度不大，研发费用维持在1兆日元以上。
图1 公司研发费用及营收占比（单位：百万日元）
数据来源：Toyota Motor Corporation Financial Report
丰田汽车于2015年10月14日公布了“丰田环境挑战2050”目标，提出在2050年前实现仅靠发动机行驶的汽车的“零”销售。该计划旨在提高混合动力车(HV)和燃料电池车(FCV)的比率，使新车的二氧化碳(CO2)排放量比2010年削减90%。
因此，丰田汽车近年来在新能源汽车，尤其是燃料电池汽车上投入了大量研发资金。
从长期来看，目前丰田汽车的研发开支正处于历史高位，可以认为丰田汽车对于科研十分重视，未来可能会有大量新能源技术和产品推出。
由于传统电池技术的限制，丰田高层认为燃料电池车是终极环保车，丰田汽车近年来将其未来研发重心从技术成熟的混合动力汽车逐渐转向燃料电池汽车。
丰田汽车于1992年便开始研发燃料电池汽车，在1996年10月发布了首款燃料电池汽车FCEV。
在随后的十多年里，丰田汽车陆续推出了FCHV-3、FCHV-4、FCHV-5、Toyota FCHV、Toyota FCHV-adv等车型，但受制于昂贵的单价和基础设施不足，该阶段的燃料电池汽车没有量产和商品化。
二、Mirai动力子系统性能指标
2014年12月15日，丰田汽车在日本发布全球首款量产氢燃料电池汽车Mirai，Mirai是世界上率先投入量产的燃料电池汽车。
Mirai的售价为723.6万日元（约44万人民币），经政府补贴后，实际的售价在520万日元左右（约31万人民币），上市首月的订单达到1200辆。
目前，氢燃料的售价约为1000日元/千克，Mirai的储氢罐可储存5千克氢气，加满氢气仅需3-5分钟，加注后可行驶650千米，每公里的成本约为8日元（约0.49元人民币）。
丰田Mirai采用了全新设计的底盘，以及新一代的燃料电池堆和储氢罐，Mirai的整套燃料电池动力系统包括燃料电池堆、高压储氢罐、升压变频器、电动机、动力控制单元等等。
值得注意的是，丰田Mirai可利用燃料电池系统产生的电能为家庭供电。日本的自然灾害比较多，Mirai作为应急电源在救援工作中可以发挥很大作用。
氢燃料电池汽车的续航和加注燃料的时间与普通内燃机汽车无异，明显优于纯电动汽车。但加氢站等基础设施的建设是氢燃料电池汽车未来发展不得不面临的难题。
为了使更多的氢燃料电池汽车上路，丰田无偿地对外公开了约5680项燃料电池相关专利，希望以此鼓励其他汽车厂商推出燃料电池汽车，降低加氢站等基础设施的建造和使用成本。
2015年，Mirai销量为700辆；2016年，Mirai的销量增至2000辆，占全球燃料电池乘用车总销量的88%。
由于产能有限，目前订购Mirai的消费者需要等待至少两年时间才能提车，丰田汽车预计到2020年，Mirai的年产量将在30000台左右。
Mirai使用的燃料电池系统（Toyota Fuel Cell System, 简称TFCS）由丰田汽车自主研发，主要包括六个子系统，分别是燃料电池堆、储能电池、高压储氢罐、驱动电机、PC升压变频器和动力控制装置。下文将从整车和零部件两个方面来介绍Mirai。
1.整车
Mirai的续航里程达到502km，最高输出功率为114kW，最高时速为175km/h。
Mirai的输出功率以及最高时速和加速与当前市售的家用轿车相差无几，且由于没有内燃机，Mirai在行驶过程中只有胎噪，相比传统汽车更为安静。
表1 Mirai参数
数据来源：2016 Mirai Product Information
2.子系统
（1）燃料电池堆
Mirai的燃料电池为固体聚合物电解质燃料电池（Solid polymer electrolyte FC），最大输出功率为114千瓦，由370片电池组成，重量仅56kg，体积仅37L。
体积功率密度和质量功率密度分别为3.1kW/L，2.0kW/kg，升压变频器负责将电压提升至650V，以满足高性能电动机的需求，处于世界领先水平。
除了为汽车提供动力外，Mirai的燃料电池堆还可以为其他设备供电，Mirai可以作为备用发电机使用。
表2 燃料电池堆参数
数据来源：2016 Mirai Product Information
（2）储能电池
为了提高效率，Mirai后备箱中有一块镍氢储能电池，用于吸收燃料电池组输出剩余的电能和车辆行驶过程中回收的电能，供汽车急加速或车载电池使用。
（3）高压储氢罐
氢燃料的安全存储是氢燃料电池汽车最重要的问题。Mirai在后排座椅下方布置了两个最大可承受70兆帕压力的高压储氢罐，其外壳由碳纤维和凯夫拉组成，可以抵抗轻型武器的攻击。
氢气具有可燃性，在空气中点燃可能发生爆炸。丰田通过优化车身结构保护了储氢罐，在80km/h的追尾试验中，储氢罐保持完好。碰撞后，氢气会以安全的速度被强制排出，杜绝爆炸的风险。
Mirai的加氢口位于车身的左后方，最高可以承受87.5Mpa的加注压力。配合专业的加氢设备，3分钟内即可为Mirai加满氢气。充满之后，5kg的氢气可以驱动Mirai行驶650km（日本的JC08标准）。
表3 高压储氢罐参数
数据来源：2016 Mirai Product Information
（4）驱动电机
Mirai使用的驱动电机与丰田的混合动力汽车相同，均为同步交流电机。该驱动电机的最大功率为113千瓦，最大扭矩为335Nm。
（5）FC升压变频器
TFCS系统中，燃料电池发出的电能还需要经过升压变频器的升压才能供给电动机使用，最大输出电压为650V。
（6）动力控制装置
动力控制装置由逆变器、升压转换器和DC/DC转换器组成，用于精确控制燃料电池堆的输出和电池的充电及放电。
FCV价格高昂，主要是燃料电池堆的成本一直下不来，然而丰田显然找到了解决问题的关键。和丰田在2008年推出的燃料电池系统相比，Mirai的燃料电池系统成本降低了95%！
三、 丰田燃料电池相关专利分析
1.专利年度分布
截至2017年5月12日，丰田汽车已在21个国家和地区、2个国际知识产权组织申请了15867件与燃料电池相关的专利。
2004年到2009年，丰田汽车与燃料电池相关的专利申请数量大幅增长，期间该技术领域年均专利申请量为1895件,说明丰田汽车在这几年开展了大量氢燃料电池技术研究。
2009年后，丰田汽车与燃料电池相关的专利申请数量逐渐下降，年申请量回落到500件左右。
直到2014年，专利申请数量再度回升，2015年的专利申请量重新回到1000件以上，表明当下丰田公司对燃料电池技术研究的热情逐渐回升，未来可能有较多新技术和新产品面世。
图2 专利年度申请量
数据来源：Innography.com
2.全球专利布局
从与燃料电池相关的全球专利布局来看，丰田汽车的专利申请主要覆盖日本、美国、中国、世界知识产权组织、欧洲专利局等21个国家、地区和2个国际知识产权组织。
其中，丰田汽车在其总部所在地日本的专利申请最大，累积申请与燃料电池相关的专利8712件，占该领域总量的55%，说明丰田汽车对本土燃料电池市场的重视。
此外，在美国的申请量占12.2%，在中国的申请量占9.2%，显示丰田汽车对这些地区燃料电池汽车市场的重视。
图3 专利全球布局
数据来源：Innography.com
3. 技术研发重点
为了研究丰田汽车与氢能和燃料电池相关的技术研发情况，利用专利文本挖掘和IPC国际专利分类进一步展开分析，可以看出该公司技术重点集中在氢泵、排水阀、电解质膜、储氢罐等技术。
从IPC分类号来看，丰田汽车在H01M8燃料电池及其制造领域申请的专利数量最多，达到9671件，占总量的61%。专利申请数量第二多的技术领域是H01M4电极，占总量的9.5%。
图4 关键技术概念
数据来源：Orbit.com
表4 关键技术领域专利申请量排序
数据来源：Innography.com
4.合作与借鉴
对丰田汽车申请的与氢能和燃料电池相关专利进行申请人分析，其结果显示了该企业与其他企业或个人的合作研发情况。
由下图可以看出，公司与爱信、Nippon Soken、丰田中央研发实验室等集团内外部企业和科研机构有大量合作。
技术的借鉴方面，本田汽车与氢燃料电池相关的专利被本田汽车、日产汽车、松下公司引用较多，同时也引用本田汽车、日产汽车、松下公司较多专利，丰田汽车与这三家公司之间的技术关联度较高，互相引用、借鉴大量专利。
图5 专利合作申请情况
数据来源：Orbit.com
图6 申请人间引用情况
数据来源：Innography.com
5.发明人分析
丰田汽车与燃料电池相关技术的高产发明人包括Yoshiaki Naganuma、Satoshi Aoyama、Hiroyuki Imanishi、Kota MANABE和Manabu Kato等，其中发明人包括Yoshiaki Naganuma的专利申请328件，占公司专利总量的2.1%。
申请量排名前10发明人是公司技术研发核心团队，申请专利1940项，占公司专利总量的12.2%，说明公司科研团队庞大，科研人才较多。
图7 专利发明人
数据来源：Innography.com
6.专利价值分析
Innography将近十年美国授权专利各指标的平均数值作为评价标准，归一化后绘制成雷达图。下图中右侧图例中的数据即为各项指标的标准数值，在雷达图中以数值为1表示。
从图中可以看到丰田汽车与燃料电池相关的专利在诉讼、专利引用上远低于平均值，说明丰田汽车的专利诉讼较少且专利原创度较高，通过借鉴或合作进行的创新较少。丰田汽车专利的发明人高于平均值，说明其发明团队较大。
图8 专利价值分析
数据来源：Innography.com
下图显示，丰田汽车与燃料电池相关的专利总量为15867件，其中，10782件专利是有效的，包括5373件有效授权和5409件有效申请。丰田汽车失效专利数量较少，仅为5085件，占专利总量的32%。
图9 专利有效性
数据来源：Innography.com
Innography专利强度指标参考了10余个专利价值的相关指标，包括：专利权利要求数量、引用先前技术文献数量、专利被引用次数、专利及专利申请案的家族、专利申请时程、专利年龄、专利诉讼等，如果一件专利强度越高，可以确定该专利的质量和影响力越高。
对丰田汽车的所有与燃料电池相关的专利族进行专利强度分析，发现其专利强度超过90的专利有88件，涉及氢燃料电池控制系统、燃料电池堆、冷却装置、燃料电池制造等。88件专利全部有效，仅有3件专利将在2020年前失效。
表5 高专利强度专利情况
丰田Mirai燃料电池汽车技术全面解析
你可知Mirai的前世今生？
相信不少人对丰田Mirai的名字都十分陌生，因其未入华，暂时来说还没有相应的官方中文名，有些人喜欢音译成“米娃”，但它的日文名发音“みらい”——意为“未来”。
Mirai是丰田FCV（Fuel Cell Vehicle，燃料电池车）计划的产物，早在1992年的时候，丰田就开始研究氢燃料电池汽车了，当时受限于种种因素才没有开发新车型，而是采用那时候成熟的汽油车平台去改造成氢燃料电池车。
但基于现有汽油车平台打造新能源车并非最佳方案，只有轻量化科技和适应新型动力系统布局的平台，才会成为最终作品。经过了20年的技术积累，丰田终于在
2013年东京车展推出了FCV概念车。
直至2014年12月15日，丰田FCV概念车基本完成了技术验证，得名“Mirai”并在日本正式上市。与此同时，丰田斥资200亿日元用于提高日本爱知县工厂氢燃料电池和燃料箱产能，这笔巨资当时折合人民币10.4亿。
2015年1月底，全球首辆量产氢燃料电池车丰田Mirai在日本交货，售价为723.6万日元（含税）左右，享受政府补贴后仅500万日元（折合人民币26.5万左右）就可以拿下，价格与皇冠HEV相当 。
Mirai的工作原理是？
在了解Mirai之前，我们先要搞清楚氢燃料电池（Hydrogen Fuel Cell）是什么，它并不是遥不可及的高深事物，从字面意义上解读就是使用氢作为原料的电池。
氢燃料电池的基本原理其实早就被写入了高中化学课本，并“困扰”着一代又一代学子，那就是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极，从而产生出电能。对于化学是语文老师教的同学则可以简单理解为通过氢和氧气结合，产生出电能和水，其中电能就输出供车辆使用，水则排出车外。
那如果把燃料电池这个技术运用到汽车领域呢？
所以，大家对丰田Mirai的氢燃料电池有了个简单的认知后，是否觉得这货也没这么神奇呢？实则不然，这些小学问背后可是蕴含着大道理的，单单燃料电池这一块丰田就拥有5680个专利，涵盖燃料电池堆专利、高压储氢罐专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术专利等。
我们把目光移回到丰田Mirai上就会发现，高压储氢罐、储能电池、燃料电池堆和由动力控制装置、驱动电机组成的动力系统均安装在底盘上，共同组成了TFCS燃料电池系统（Toyota Fuel Cell System），接下来就针对以上各部分进行深入讲解。
当然了，相信许多人都对储氢罐的安全性持怀疑态度，毕竟内部有着这么高的气压值，一旦车辆发生严重碰撞或者起火自燃的状况，储氢罐是否会爆炸？针对这个问题，笔者经过多番查阅找到一个权威的答案，如下图。（BTW，下面那句话不是Sir说的，而是出自丰田Mirai之父——田中义和之口。）
注：至于第三方机构的新车碰撞测试结果呢，笔者翻看了J-NCAP、IIHS、NHTSA、E-NCAP等众多权威机构的记录，均无丰田Mirai的碰撞成绩，因此我们有理由认为安全法规在氢能源车这一方面还未完善，因此无法做出权威的碰撞测试。
你以为Mirai只是一辆车？
如果单纯地认为Mirai仅是一个绿色环保的交通工具，那你就错了，再怎么说它还拥有两个大容量储氢罐吖，一来长途路上口渴了能去后面的排气（水）管接水喝，二来手机玩没电还能当充电宝。还别说，网上真有人直播喝Mirai排放出来的水呢！
因此，丰田Mirai不仅仅是一辆氢燃料电池车，它还可以看成是一个小型发电机，只不过使用的原料是氢气而不是汽油。
聊一下Mirai的短板
加氢难
就像硬币都有正反面一样，所有的事物都有好坏两面，氢燃料电池车也不例外。相比起特斯拉Model S四小时的充电时间，Mirai那只需3分钟的加氢速度以及续航里程看似赢了几条街。
加氢站的罕见程度有别于我们常见的加油站，据不完全统计，中国境内已建好的加氢站仅有9座，分布在北京、上海安亭、河南郑州、大连高新区、江苏如皋、广东佛山和深圳等地。
这也是Mirai迟迟未在国内上市的一个重要原因。并且建加氢站有异于建充电桩，整个环节中的制氢、储氢以及运输氢难度都远远高于充电桩。
车体重
别看Mirai的车身尺寸跟凯美瑞不相上下，实际上Mirai的总重量高达1850kg，比凯美瑞重了整整350kg。那么问题来了，尺寸为4890/1815/1535mm的丰田车居然这么重？究其原因竟是动力部分和储能部分占了多半空间，而再加满122.4L氢燃料以及四个乘客就能轻易突破两吨这个大关了。
写在最后
氢燃料电池车的量产为我们打开了一扇未来交通解决方案的大门，与各大国内厂商趋之若鹜的纯电动车相比，氢燃料电池车的优势十分明显，但制约其放开手脚的阻挠也相当不少。在油价日益上涨、路上纯电车及混动车比比皆是的今日，氢燃料电池车这个领域至今仍处于空白状，若时加氢站的数量得到缓解，Mirai啥时候入华做第一个吃螃蟹的人呢？