CAR

自動車 ～進化する技術とデザイン～

燃料電池自動車の市場導入に向けた開発と知的財産活動
トヨタ自動車株式会社
トヨタ自動車株式会社

加藤 広章
高橋 健太郎

抄録
地球温暖化や大気汚染等の環境問題の深刻化に伴い、より環境に配慮した自動車が期待されている。
燃料電池自動車は、これらの環境問題解決や石油だけに頼らないエネルギー多様化へのポテンシャルの高さと、現状のガソリンエンジン車と同等の利便性とを兼ねそなえており、トヨタ自動車ではサスティナ
ブルなモビリティ社会の実現に貢献する究極のエコカーまたクリーンカーとして開発を推進している。
そしてトヨタ自動車は、2014 年 6 月 25日にセダンタイプの新型 FCV を日本では 2014 年度内に販売を開始することを発表した。
本稿では、この FCV における市場導入に向けたトヨタ自動車の開発状況およびそれを支援する知的財産活動について紹介する。

1. はじめに

2. パワートレーンの多様化について

地球温暖化や大気汚染の深刻化に伴い、より環境に配慮

図 2 に自動車用燃料に対応するパワートレーンのバリした自動車が今後一層求められていくことは言うまでもな

エーションを示す。

い。従来の内燃機関の効率改善、車両の軽量化や走行抵抗

石油だけに頼らない燃料多様化の対応が次世代技術開発

低減、ハイブリッド車（以下 HV と称す）の導入拡大によのキーと位置付けてはいるが、当分の間は、石油が主流のる省エネルギー・低エミッション化はもちろんのこと、更時代が続くと考えられる。その為、省エネルギーに向けたに根本的な解決の為に、CO2 の排出をゼロとするエネル取り組みでは、まずは石油を節約して使うこと、すなわち、ギー源（電気・水素等）の活用を積極的に進めていく必要

自動車の燃費を向上していくことが最も重要である。従っがある。

て、自動車の燃費を向上していくことをグローバルな基礎

トヨタ自動車では、脱石油依存社会を目指し、図 1 に示技術として位置付け、従来のエンジンとモーターの二つのすような省エネルギー、燃料多様化への対応、エコカーの動力源を最適に制御するハイブリッド技術を更に磨きをか普及促進による環境への貢献を基本スタンスとして技術開けるとともに、 コンパクトからラージまで、 さらには、

発に取り組んでいる。特に燃料電池自動車（以下 FCV と称

SUV、ミニバン、商用車も含め、全カテゴリーに HV をラす）は、これらの環境問題解決やエネルギー多様化へのポインアップし、HV の普及促進に努めている。

テンシャルの高さを持ち合わせており、究極のエコカーま2012 年以降は、HV の年間の世界での販売台数が 100

たクリーンカーとして期待されている。

万台を超え、2013 年 12 月末には、 世界での累計販売台

ここではトヨタ自動車の FCV の市場導入に向けた開発

数が、600 万台を超えており、HV も本格普及のフェーズ

状況およびそれを支援する知的財産活動を紹介する。

に入っている。
次に燃料多様化に向けた取り組みであるが、主な石油代
替燃料として、電気・水素・バイオ燃料・天然ガス等があ

省エネルギーる。これらの燃料の特徴を図 3 に示すが、どの燃料にも一長一短があるため、現時点では、将来の燃料を一つに絞る

燃料多様化への対応のは難しい。

エコカーは、普及してこそ環境への貢献

トレーンとして、プラグインハイブリッド（PHV）、電気

そこで現在は、それぞれの燃料の特徴を活かしたパワー
自動車（以下 EV と称す）
、FCV の開発を進めている。
図1

この PHV、EV、FCV も、図 4 に示す通り、HV に搭載さトヨタの基本スタンス

2014.9.5. no.274

3

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一次エネルギー

パワートレーン

従来車

ガソリン

油

軽

天然ガス

省エネルギ ー石

自動車用燃料

&

油

HV

ガス燃料

炭

合成液体燃料

植

物

バイオ燃料

ウラン

電

気

水力、太陽、地熱

水

素

図2

燃料多様化

石

PHV
EV
FCV

自動車用燃料に対応するパワートレーン

電気

水素

バイオ燃料

天然ガス

EV

FCV

内燃機関

内燃機関

△〜◎

△〜◎

△〜◎

○

供給量

◎

◎

△

○

航続距離

△

◎

◎

○

給油時間
（充電／充填）

△

◎

◎

◎

インフラ

○

△

◎

○

Well to Wheel CO2

それぞれの代替燃料の特徴を活かして利用
図3

主な石油代替燃料の特徴

モーター
PCU

EV

エンジン

HV
モーター
PCU

エンジン

エンジン

発電機

モーター
PCU
バッテリー
発電機

PHV

バッテリー

バッテリー
燃料
タンク

燃料
タンク

燃料
タンク

モーター
PCU

FCV

バッテリー
燃料 水素
電池 タンクハイブリッド技術は、PHV・EV・FCVの要素技術を含む コア技術
図4

ハイブリッド技術の展開

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4

2014.9.5. no.274

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FCV 領域

HV・PHV 領域

車両サイズ

大型トラックHV
近距離用途

小型宅配車両FCV（BUS)
宅配トラックEV

パーソナルモビリティ

燃料

路線バス

乗用車

EV 領域

電気

FCV

PHV

移動距離

ガソリン、軽油、バイオ燃料、CNG、合成燃料 etc.

EV：近距離用途、

HV・PHV：乗用車全般、

図5

水素

FCV：中長距離用途

モビリティの棲み分けイメージ
システムコスト

れているモーター、バッテリー等が使われており、また
PHV、EV，FCV の基本的な車両制御技術は、HV の制御技
術 と 同 様 の 部 分 が 多 い。 従 っ て、 現 在 の HV 技 術 は、
PHV、EV、FCV の「コア技術」とも位置づけることができ、HV で培った技術やノウハウを、これら次世代技術に迅速

EV

EV優位
FCV

かつ容易に適用することが可能である。
FCV優位

3. 次世代技術（EV,PHV,FCV）の位置付け

航続距離

将来の自動車用燃料が多様化すると、それに伴って、パ

FCV は航続距離増に対するコスト増が少ない⇒ 中長距離では FCV が優位

ワートレーンも多様化していく。図 5 に、燃料多様化に対応する EV、PHV、FCV の棲み分けイメージを示す。

図6

車両のサイズや移動距離のニーズと、燃料に応じたパ

EV と FCV のシステムコスト比較

ワートレーンがクルマの棲み分けとなる。
EV は、走行中の排出ガスがゼロであり、家庭で充電がしかしながら、EV も FCV も今後更なるコストダウンができるといった従来車とは違う嬉しさがある。一方で、航課題のひとつであり、また、それぞれ充電インフラや水素続距離が短い、電池のコストが高い、充電時間が長い、そインフラの課題も大きい。そのため、HV や、短距離走行

して、充電、特に急速充電に関してはインフラ整備が必要時には EV で電池がなくなると通常の HV として機能するといった制約がある。このような特徴の EV は、近距離用

PHV が、現時点では省エネルギーの主流と考えられる。
但し、将来的には、走行中は CO2 や環境負荷物質を排出途が中心となり、車格的にも小型車やパーソナルモビリ

することなく、現状のガソリンエンジン車と同等の利便性

ティに適していると考えられる。

を兼ねそなえる FCV を究極のエコカーと位置付けている。

また、PHV は、日常用途は電気だけで走行できるうえ、
充電電力を使い切れば、そのまま HV として走ることがで

4. FCV のうれしさ

き、電池切れにより走行できなくなるといった問題もない
ことから、現在の乗用車全般に適していると考えられる。
一方、FCV は EV に比べ航続距離が長く、水素充填時間も究極のエコカーとなり得る FCV の主な特徴を図 7 に示す。

短いため、小型から大型までのあらゆる用途への可能性を燃料となる水素は、多様な一次エネルギーから作ること持っている。これは、水素は電池に比べて、エネルギー密ができ、且つ走行中は CO2 排出がゼロである。また、EV に度が高い上に、航続距離確保のためにタンクの容量を増やも共通した特徴ではあるが、モーター駆動ならではの滑らしても EV のバッテリーを増やすといった極端なコスト増にかな走りと静粛性、発進から低中速域の加速の良さが FCVはならないため、同じゼロエミッションであっても、図 6にに も 備 わ っ て い る。 さら に、FCV の 嬉 し さとし て、 約示すように一定距離以上は FCV のメリットが大きくなる。

700km と航続距離が長く、水素の充填時間も、従来のガ2014.9.5. no.274

5

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エネルギーの多様化

ゼロエミッション

水素は多様な
一次エネルギーから製造可能

走行中の CO2 排出ゼロ

使い勝手の良さ

走りの楽しさ※
航続距離（約 700km）
水素充填時間（約 3 分）氷点下始動性（-30℃）

モーター駆動ならではの
滑らかな走りと静粛性
発進〜低・中速域の加速の良さ※ JC08 モード、トヨタ測定値

非常時電源供給能力大
供給能力は、EV の 4~5 倍以上（一般家庭では 1 週間以上）

図7

FCV のうれしさ

ソリンエンジン車と同等の 3 分程度と使い勝手の良さがあ（EVS13）で、大阪・御堂筋をパレードにて初めて FCV をげられる。

走行させている。ここで走行した FCV は、SUV タイプのまた、東日本大震災以降の新たな要求である非常時（災車両に燃料電池と水素吸蔵合金タンクを搭載した車両で害時）などに電源として家庭や避難所に電気を供給するこあった。

とについても、EV に比べて 4 〜 5 倍程度大きい能力を持っ

図 8 に示すように 2002 年 12 月には、FC 基礎技術はほている。例えば、FCV および FC バスから外部へ給電した場

ぼ確立（大臣認定）
し、世界に先駆け、SUV タイプの FCV「ト合、水素が満タンと仮定すると、FCV では一般家庭へ 1 週

ヨタ FCHV」を日米において限定ユーザーへのリース販売

間程度、また、FC バスでは避難所と想定される体育館に約を開始した。

5日程度給電でき、水素を補充すればさらに長時間の給電

そして、2005 年 7 月には国内で初めて新型自動車届出が可能である。

制度に基づく認可（俗に型式認証）を取得し、法規上は普通の車としての扱いとなった。すなわち車検を取っていつ

5. FCV の技術開発の進化

までも乗り続けることが可能であり、そのための最低限の基本的な法整備が行われたのである。

これよりトヨタ自動車における FCV の開発の変遷を紹2008 年 6 月の FCHV‐adv では、コストを除き性能的に介する。

は従来のガソリンエンジン車レベルまで飛躍的な進化を達

トヨタ自動車では FCV の開発を 1992 年からスタートさ成した。 航続距離は 330km から 830km（10-15 モード）

せており、現在まで 20 年以上の歴史がある。

と大幅に向上した。また、− 30℃でも始動・走行できる

1996 年 10 月 の 第 13 回 電 気 自 動 車 ジ ン ポ ジ ウ ム

ように寒冷地性能を向上させた。

2002年モデル（12月〜）
世界に先駆け日米で限定販売開始
2008年モデル
TOYOTA FCHV-adv

2005年モデル（7月〜）
国内で初めて型式認証取得

155 km/h

航続距離

830 km(10・15モード、トヨタ測定値)

乗車人員5人

最高貯蔵タンク圧力70MPa

燃料電池出力90kW

2008年モデル（6月〜）
航続距離・氷点下始動性を大幅向上

最高速度

日米で 100 台以上の FCV 走行実績が、200 万キロを突破
図8

トヨタ FCV 開発の歴史

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6

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燃料電池システムコスト

以下、2008 年 6 月の FCHV‐adv 販売までに解決してきた主要な課題について説明する。

低温始動・走行性能
FCV の大きな課題のひとつが、発電時に排出される生成1/20以下（2015年）

FCHV-adv（2008年）

さらなる
コスト低減

限定導入期

普及開始

技術課題解決水が氷点下で凍結して発電が継続できなくなることであっ

本格普及期

コスト低減

た。しかし、現在では− 30℃以下になるような寒冷地で設計生産技術も従来のガソリン車にほぼ近い時間（30 秒程度）で始動走

量産効果

燃料電池システムコストを大幅に低減
本格普及に向けてさらにコストを低減行できるレベルになっている。これは、FC スタックの各要素設計の改良、材料の変更や制御の工夫による生成水の排出性の向上や燃料電池自身の早期暖機性の確保によって

図9

燃料電池システムコスト

達成された。
現在は普及開始のフェーズに入っており、トヨタ自動車

実用航続距離は、全力を挙げ、更なる信頼性向上・商品性向上・低コス

燃料電池自身は効率が非常に高いが、燃料の水素の方ト化に取り組んでいる。

はガソリン等の液体燃料に比較して体積エネルギー密度

燃料電池スタック

が 1/3000 程度と非常に小さい。車両の限られたスペース
では、十分な水素が搭載できず、一回の充填での航続距

新型の燃料電池スタックは、図10に示す通りFCHV‐adv

離も大きな課題であった。しかしながら、燃料電池シスに対して出力密度が 2 倍以上向上し世界トップレベルの

テム効率の大幅な向上や水素タンクの 70MPa への高圧化

3.0kW/Lを達成した。出力に関しても100kW 以上の高出力と 設 計 改 良 に よ る 水 素 搭 載 量 の 増 加 に よ り、2008 年を確保できるようになった。こうした燃料電池スタックの能FCHV − adv モデルでは、 国内の燃費試験モード（10.15

力を大幅に向上させたことにより、燃料電池スタック自身のモード）基準で約 830km を達成した。 ちなみに前年の小型化が達成でき車両のシート下への配置が可能となった。

2007 年にはエアコン作動など実使用条件下で大阪から東京まで約 560km を途中充填なしで走破し、ガソリン車並

出力密度 2 倍以上向上（TOYOTA FCHV-adv 比）

みの実用航続距離を実証した。

世界トップレベル

3.0kW/L達成

出力 100kW 以上

燃料電池スタック

小型化

シート下配置を実現

燃料電池スタックの耐久性の主な課題は、電解質膜での亀裂やピンホールの発生や劣化により反応ガスがガス膜を透過してしまうクロスリーク量の増大、加えて電極触媒の劣化による燃料電池出力性能の低下である。耐クロスリー

燃料電池の性能向上と小型化を実現

ク性はここ数年間で大幅に改良され、現在は耐クロスリー

図 10

ク性を維持しつつ、膜厚を薄くして性能向上を図る検討が

新型燃料電池スタックの開発状況進められている。また、電極触媒の劣化による性能低下も高圧水素タンク

着実に改善されてきており、2008 年 FCHV‐adv モデルでは、日米欧で 100 台以上（走行距離 200 万 km 以上）の走

次に図 11 に高圧水素タンクの開発状況を示す。

行実績を挙げた。こうした市場でのデータを開発にフィードバックし、燃料電池スタックの耐久性を飛躍的に向上さ

タンク貯蔵性能 約20％向上（TOYOTA FCHV-adv比）

せてきている。

車両搭載本数4本 ⇒ 2本材料、製造工程の見直し

このように 2008 年に発売した現行モデル FCHV‐adv

世界トップレベル

5.7wt%

達成

低コスト化

では、図 9 に示す通り、限定導入期として根本的な技術課
題の解決を進めた。
（70MPa）（70MPa）

燃料電池の性能向上と小型化を実現
図 112014.9.5. no.274

7

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高圧水素タンクの開発状況

サプライヤーから高圧水素タンクを調達することにより以上述べてきたように、20 年以上の開発期間を経て、自社開発を行わないメーカーが多いが、トヨタ自動車では

FCV の技術は着実に進化してきた。これらの先端技術を結

自社での開発を続けている。そして高圧水素タンクの貯蔵集し、トヨタ自動車は、2014 年 6 月 25 日に「セダンタイ

性能を、世界トップレベルとすることにより、従来必要

プの新型 FCV を日本では 2014 年度内に販売開始する」こだった搭載本数を 4 本から 2 本にし、大幅な材料費や製造とを発表した。当面は、水素ステーションの整備が予定さ

工程の見直しを図ってコスト低減を進めている。

れている地域及びその周辺地域の販売店が中心となる見込みであるが、これをスタートとして水素社会の実現に向け

燃料電池システムて動き出す。

次に図 12 に燃料電池システムの開発状況を示す。

6. 燃料電池に関する特許動向

燃料電池は一般的に空気に湿度を与えて運転する必要がある。そのため、FCHV‐adv では燃料電池システムに、加湿器を備えていた。この加湿器は高価な部品であった次にFCVに関する知的財産活動状況について説明する。

が、加湿器レス制御を導入することにより、加湿器を取りまずは図13に主要国である日米欧中韓における燃料電池除くことが可能となり、信頼性向上、小型・軽量化、低コの出願人国籍別の出願件数推移及び出願件数比率を示す。

スト化を実現した。さらに、燃料電池とモーターとの間に

図 13 から、出願件数比率では、日本国籍が 58.2％と最昇圧コンバーターを設置することにより、燃料電池のセル多 で、 次 い で 韓 国 籍、 米 国 籍、 欧 州 国 籍 が そ れ ぞ れ

枚数の削減、モーターの小型化を実現している。

12.1％、11.7％、11.6％と拮抗し、中国籍は 3.6％と低率である。ここから、燃料電池領域において日本勢が海外勢に比べ盛んに研究開発を行っていることが分かる。個別の出願人国籍別推移を見ると、中国籍がほぼ横ばいであるの

信頼性向上、小型・軽量化、低コスト化
加湿器レス
昇圧コンバーター採用
FCセル枚数削減、モーター小型化
昇圧コンバーター

燃料電池を除いて、日米欧韓は概ね全体と同じ減少傾向にあるが、日本勢は依然海外勢の 3 倍近い出願件数を維持しているこ

水素タンクとが分かる。
次に表 1 に主な出願人（出願人別出願件数上位ランキング）を示す。
出願人の国籍を見ると、上位 30 位中、日本国籍が 21 社
パワーコントロールユニット

モーター

2次電池

と 7 割を占める。他は韓国籍が 5 社、米国籍と欧州国籍が

水素充填口

2 社、中国籍はゼロ社である。業種を見ると、上位 5 位の燃料電池システムを大幅に進化
図 12

うち自動車会社が 4 社を占める。トヨタ自動車の出願件数
5,871 件は、2 位サムスン SDI の約 3 倍、 全体に占める割

燃料電池システムの開発状況

その他
1,219 件
2.9%

欧州国籍
4,862 件11.6%

14,000

合計
42,019 件

12,00010,606

韓国籍
5,069 件
12.1%
日本国籍
24,448 件
58.2%

米国籍
4,909 件
11.7%

優先権主張
2005 〜 2009 年

10,760
9,565

10,000
出願件数

中国籍
1,512 件3.6%

合で 14.0％であり、これは、トヨタ自動車が環境問題へ

8,000

出願人国籍

6,688

6,000

4,400

米国籍

4,000

欧州国籍

2,000

中国籍

0

韓国籍
2005

2006

2007

2008

2009

出願年（優先権主張年）

図 13

日本国籍

その他
合計

出願人国籍別の出願件数推移及び出願件数比率※

特技懇 No268 燃料電池－平成 23 年度 特許出願技術動向調査図 2-1 引用※対象となる特許文献は、出願日（優先権主張日）を基準として 2005 年〜 2009 年の特許出願件数としている。出願先は、日本、米国、欧州、中国、韓国への出願を対象としている。出願件数推移のデータを見る際には、特許文献のデータベースへの収録までの時間差や PCT 出願が各国の国内段階へと移行するまでの時間差のために、2008 年以降の件数は全データを反映してない可能性がある点の注意が必要である。

tokugikon

8

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自動車 ～進化する技術とデザイン～

表1
順
位の取り組みとして、長年燃料電池の開発を推し進めてきた

出願人別出願件数上位ランキング
出願 順
件数 位

出願人名称

出願人名称

出願
件数

成果と言える。
次に、自動車メーカー、機械・重工メーカーを中心に出1 トヨタ自動車

5,871 16 住友化学

332

サムスン SDI
2（韓国）

願件数ランキングの上位から選定した主要出願人 6 社の出

1,971 17 大日本印刷

326

願先国別出願件数推移及び比率を図 14 〜図 19 に示す。

3 本田技研工業

1,931 18 新日本石油

295

自国への出願比率に注目すると、日本国籍の 3 社は、ト274

ヨタ自動車 68.0％、 本田技研工業 72.3％、 日産自動車

4 日産自動車

1,576 19 LG 化学（韓国）

ゼネラルモーター
5
1,401 20 ソニー
ズ（米国）

267

6 東芝

1,357 21 エクォス・リサーチ256

7 パナソニック1,235 22 TOTO

252

8 現代自動車（韓国） 699 23 三洋電機
454 2410 カシオ計算機

427 25 富士電機

11

ダイムラー
（ドイツ）

411 26

サムスン電子（韓国）している。
出願件数の推移を見ると、全体的に減少傾向にある中で、現代自動車が 2008 年まで増加し、本田技研工業とゼネラルモーターズの 2 社がほぼ横ばいとなっている。他に

202
198

13 日立製作所

371 28 凸版印刷

183

14 キヤノン

351 29 関西電力

182

ゼネラル・エレク
トリック（米国）

341 30の出願は 60％未満となっており、各社の出願戦略は相違

215

389 27 豊田中央研究所

フランス原子力庁（フランス）

籍 1 社はゼネラルモーターズ 35.8％と、 いずれも自国へ

231

12 京セラ15

籍 2 社は、サムスン SDI43.7％、現代自動車 55.8％、米国

250

サムスン電機（韓国）

9 アイシン精機

86.2％と、いずれも 60％以上を占めている。対して韓国

はサムスン SDI が 2006 年にほぼ横ばいの後、2007 年に
前年比約 3 分の 1 に激減している。
トヨタ自動車は、2007 年を境に、ある程度開発の方向性が見えてきたため、多くの領域に多くの出願をする戦略

172から、ある程度絞り込まれた領域に質の高い出願を行う戦略に変更した結果、トップを継続しつつも単年毎の出願件

特技懇 No268 燃料電池－平成 23 年度 特許出願技術動向調査－表 1 引用数は減少している。

1,400

欧州
569 件
9.7%
米国
600 件
10.2%

1,579

1,600

出願件数

中国
541 件
9.2%

1,800

合計
5,871 件

韓国
166 件
2.8%

1,200

1,695

優先権主張
2005 〜 2009 年

1,210

1,000

日本

544

600

日本
3,995 件
68.0%

出願先国

843

800

米国

400

欧州

200

中国

0

2005

2006

2007

2008

韓国

2009

合計

出願年（優先権主張年）

図 14

出願先国別出願件数推移及び比率（トヨタ自動車）
900

合計
1,971 件

800

772

750

優先権主張
2005 〜 2009 年

700
出願件数

韓国
861 件
43.7%

日本
288 件
14.6%
米国
394 件
20.0%
中国
241 件
12.2%

600
500

出願先国

400

200
100

欧州
187 件
9.5%

図 15

0

日本

265

300

2005

2006

2007

米国

88

96

2008

2009

欧州
中国
韓国
合計

出願年（優先権主張年）

出願先国別出願件数推移及び比率（サムスン SDI）

特技懇 No268 燃料電池－平成 23 年度 特許出願技術動向調査－図 2-7 ～ 図 2-8

2014.9.5. no.274

9tokugikon

引用

450

435

430

421

400
出願件数

米国
329 件
17.0%

500

合計
1,931 件中国 韓国
欧州 53 件 14 件
139 件 2.7% 0.7%
7.2%

日本
1,396 件
72.3%

325

320

350

優先権主張
2005 〜 2009 年

300
250

出願先国

200

日本

150

米国

100

欧州

50

中国

0

2005

2006

2007

2008

韓国

2009

合計

出願年（優先権主張年）

図 16

中国
17 件
1.1%

800

合計
1,576 件

700

678

優先権主張
2005 〜 2009 年

600

韓国
15 件 1.0%

出願件数

米国
91 件
5.8%

欧州
95 件
6.0%

出願先国別出願件数推移及び比率（本田技研工業）

500
379

400

300
日本
1,358 件
86.2%

出願先国
227

日本

229

米国

200

0

欧州

63

100
2005

2006

2007

2008

中国
韓国

2009

合計

出願年（優先権主張年）

図 17

出願先国別出願件数推移及び比率（日産自動車）
400

合計
1,401 件韓国
6 件 日本0.4% 109 件
7.8%

欧州
458 件
32.7%

321

361
318

300
出願件数

中国
326 件
23.3%

350

優先権主張
2005 〜 2009 年

232

250
200

出願先国

169

日本

150

米国
502 件
35.8%

米国

100

欧州

50
0

中国
2005

2006

2007

2008

韓国

2009

合計

出願年（優先権主張年）

図 18

出願先国別出願件数推移及び比率（ゼネラルモーターズ）
250

合計
1,401 件

日本
72 件
10.3%

200
出願件数

韓国
390 件
55.8%

202

米国
138 件
19.7%

中国
61 件
8.7%

212

139

150

欧州
38 件
5.4%

図 19

出願先国

101

100
50

優先権主張
2005 〜 2009 年

日本
米国

45

欧州
中国

0

2005

2006

2007

2008

韓国

2009

合計

出願年（優先権主張年）

出願先国別出願件数推移及び比率（現代自動車）

特技懇 No268 燃料電池－平成 23 年度 特許出願技術動向調査－図 2-9 ～ 図 2-12

tokugikon

10

2014.9.5. no.274

引用

CAR

自動車 ～進化する技術とデザイン～

7. トヨタ自動車の FCV に関する知財戦略

狙いと現在の技術動向がマッチしているかを確認し、出願時の狙いと現在の技術動向がマッチしていない場合には以下にトヨタ自動車の FCV に関する知財戦略を説明する。

個々の案件の請求項の見直し、分割出願の検討、PCT 出願

特許は、一般的に出願から数年で権利が確定するが、そや EP 出願においては移行国の増減の検討を行う。なお、の権利期間は 20 年と長いため、技術の変遷を見据え、長このような対応を実際の審査段階で行うためには、出願時い目で見て権利活用可能な権利を得ることが重要である。

において現在の技術の技術動向のみならず、将来の技術動

特に FCV については市場が成熟していないこともあり、向についても出来る限り予想し、将来的に必要に応じて補今後主流となる技術が見えづらく、技術動向をしっかり踏正や分割出願できるよう提案書の内容を充実させた上で出まえた出願・権利化活動が必要となる。

願することが必要である。また、権利化を狙っていた技術

FCV に採用される技術の確実な保護として、開発の特定自体が陳腐化した場合には権利化のとりやめも検討する。

フェーズ毎にそのタイミングにおいて採用が決定されていこのような活動を行うことにより、出願時に予想した技術

る技術、または採用が有力視されている技術、さらにこれ動向と異なる技術動向となったとしても出来る限りそのらから派生することが予想される技術を洗い出し、それら時々でより良い権利を得ることが出来る。

を漏れなく出願するという活動をしている。これにより、

ところで、市場導入を目前に控えると当然他社の特許をFCV に採用された技術をしっかりと特許により保護する体

侵害していないかの事前調査の重要性も増してくる。他人制を構築している。

の特許権を無断で侵害したまま製品を世に送り出すことを

一 方、5 年 後、10 年 後 を 見 据 え た 技 術 に つ い て も、避けるべく、2014 年度に市場導入される FCV については2014 年度の市場導入のために開発している技術と同様

もちろん、将来採用される技術についても公開・登録公報に、精力的に研究開発している。これらの技術に対してはを調査し、市場導入に際し問題となるような特許が無いこ

自社他社を含む将来的な技術動向が見えづらいことから、とを随時確認している。具体的にはある期間において公開

特定のポイントに絞って単発で出願および権利化を狙うよ

された公開・登録公報をチェックし、その内容に対し市場

りも、ある有望そうな技術があれば、その技術のコアな部

導入車に採用予定のある技術や現在開発中の将来技術が抵分については勿論のこと、そのコアな部分を取り巻く周辺

触しそうか否かを判断、抵触しそうな場合は特許の有効性の技術についても漏れなく特許を出願・権利化することでを確認し、必要に応じて設計変更を行ったり特許権者に対特許網を構築することが必要である。そこで出願時には最しライセンスの申し込みを行ったりする。このチェック作

終的に出来上がる特許網を意識しながら、各出願がその特業は市場導入車に採用予定のある技術については全件行う

許網においてどのような位置付けにあるのかを把握しつつ必要があるため、年間を通して延べ数千件の公開・登録公出願活動を行っている。

報をチェックしている。

また、実際に審査が行われる段階になったら、出願時か

8. 特許取得された代表的な技術の紹介

ら技術動向が変っている可能性があるため、特許網そのものの重要性、更には各特許網内における各出願の位置付けの見直しを行い、また必要に応じて現時点で出願済みの案

上記のような活動を行ってきた結果、取得された代表的件から現在の技術動向にあった新しい特許網の構築というな特許を紹介する。

活動をしている。具体的には出願済みで、かつ、登録前のトヨタ自動車の FCV の特徴として昇圧コンバーターが案件を技術領域、技術分野、すでに形成されている特許網挙げられる。燃料電池から出力される電圧はセル 1 枚あたなどの切り口をもとに抽出し、抽出された特許の出願時のりの出力電圧×セルの枚数によって求めることが出来る。

図 20

特許網再構築イメージ

2014.9.5. no.274

11

tokugikon

ところで、モーターの出力向上を考えた場合、モーターは

作点は A から B に移り、燃料電池の電圧は VA から VB へと

高電圧で駆動されることが望ましいが、その高電圧を燃料変化する。ここで、燃料電池の動作点と発電効率の関係を電池で発生するとなるとセル 1 枚あたりの出力電圧を上げ示すと図 22 のようになる。燃料電池は投入された水素おるか、セルの枚数を増やす必要がある。セル 1 枚当たりのよび酸素を熱および電力に変換するが、その割合は模式的

出力電圧の向上にもある程度の限界がある点を踏まえるに「動作点よりも上側が熱、動作点よりも下側が電力」とと、どうしてもセルの枚数の増加に頼らざるを得ず、そのして変換されると示すことが出来る。したがって一般的に

結果燃料電池本体の大型化を招いてしまうという課題がはこの熱の割合が少なくなるようになるべく電圧が高い動あった。これに対し燃料電池の出力電圧を昇圧コンバー

作点において動作させることが好ましい。しかし、例えば

ターを用いて高電圧まで昇圧することでセルの枚数を増加

冷間始動時など燃料電池を運転に適した温度まで暖機した

せずに、また、場合によってはセルの枚数を既存のものよ

い場合においては、この動作点を意図的に下側にし、発生りも減らしたとしても所望の高電圧を得ることが出来る。

する熱量を増加させることで暖機時間の短縮を図る（低効

特に車両に燃料電池を搭載する場合、搭載可能なスペース

率運転）ということが行われる。ただし、この場合、必要が限られている関係上、燃料電池本体は出来る限り小型化とする熱量のみに着目し動作点を変更すると車両を運転すした方が好ましい。昇圧コンバーターを用いることで、こるのに必要な電力が発生出来ない可能性がある。これは実のような車両特有の課題を解決することが出来る。

験室レベルでは問題とならないかもしれないが、実際に燃料電池を車両に搭載することを考えると商品性に対し大きな影響を与えるため必ず解決しなくてはならない課題である。また、その逆に必要とする熱量のみに着目した結果、過剰な電力が発生してしまう可能性もある。過剰な電力の発生は無駄なエネルギーの発生にほかならず、同様に商品性に影響を与える恐れがある。
このような課題に対し開発を進めた結果、燃料電池に対して必要とされる熱量と燃料電池に要求される出力とから動作点を決定し、その動作点となるように電流・電圧をコントロールすることで、最適な動作点において良好に燃料

図 21

電池を運転することが出来るようになった。具体的には、燃料電池の IV 特性説明図

まず必要熱量 Q FC と要求される出力 P FC とから以下の図式に基づき動作点（電流値及び電圧値）を決定し、その動作

更に、昇圧コンバーターを用いて燃料電池から取り出す

点となるように昇圧コンバーターおよび酸素の供給量をコ

電流値をコントロールすることで、燃料電池の発電電圧をントロールするのである。

制御することが出来る。燃料電池には電流値が増加するにしたがって電圧値が減少する、または電流値が減少するに

I FC ＝

したがって電圧値が増加するという特徴がある（図 21 参照）
。例えば、現在動作点 A で燃料電池が作動されている（PFC ＋ QFC ）FC スタックの最大発電電圧とする。ここで昇圧コンバーターを用いて燃料電池から取V FC ＝り出す電流値を IA から IB に変更したとする。すると、動図 22

燃料電池の発電式模式図

tokugikon

図 23

12

2014.9.5. no.274

P FC
I FC

燃料電池の動作点決定説明図

CAR

自動車 ～進化する技術とデザイン～

このように、暖機に必要とされる熱量のみならず、車両の HV 同等の価格競争力を有する車両価格の実現” と “東京を駆動するに当たり必要とされる要求出力をも満たすよう

オリンピック競技大会での活用” が謳われている。2013

な動作点で運転させるため、低温環境下においても良好に

年には水素ステーションに関する補助金制度が創設され、燃料電池車両を始動させることが出来るようになり、その19 箇所の水素ステーションが建設中である。2014 年は水

結果、燃料電池車両の長年の課題であった低温環境下にお素ステーション 30 〜 40 基分の予算が計上された。並行しける始動性向上に大きく貢献することが出来た。この発明て低コスト水素ステーション開発に向けた取り組みや、規は燃料電池を車両搭載する場合には必須の技術であり、ま制見直しが行われており、水素インフラ整備促進が加速した、数千件にも上るトヨタの燃料電池特許網の中でも中核ている。

に位置づけられている。トヨタはこの発明を日、米、欧、FCV はこれからの新しいモビリティ社会に向けた提案で中、韓国、カナダに出願しており、審査継続中の米国を除ある。そして水素が当たり前の社会、FCV が普通のクルマ

きすべての国で特許として既に権利化している。

になるための長いチャレンジの始まりである。

以上、燃料電池を車両に搭載することを検討すると、実験室等では問題とならなかった数々の問題に取り組む必要性が出てくる。それらの課題を解決するようなアイディアをいち早く出願・権利化し、またこのようなアイディアを取り巻く周辺のアイディアについても漏れなく特許を出
願・権利化することで特許網を構築している。
また、これ以外にも燃料電池に関する課題は存在するが、それらの課題を解決すべく生み出されるさまざまな技
術に対し、採用が見込まれる技術については漏れ無き出願
活動を、将来的な技術については特許網を構築する出願活動を、さらにこれら出願に対し技術の動向を見極め適切な権利化活動を行うことで、短期から長期にわたって安定的に必要な特許権を保有するという体制を構築している。

9. FCV の今後の展開
FCV は地球環境問題・エネルギー多様化への対応等から早期の普及拡大が期待されている。2014 年度内での一般への普及開始とともに地球環境問題への寄与のためには、
本格的な量的拡大が必要である。そのためには、一層の技術開発と規制の見直し等の周辺基盤整備を進めていく必要

profileがあり、エネルギーメーカーや自動車メーカーはじめ関係

加藤 広章（かとう ひろあき）

業界・関係機関の緊密な連携のもとで相互理解を深めると1967 年生まれ
1990 年 （株）トヨタテクノサービス入社

ともに、政府や地方自治体の適切なサポートも重要である。

（現：トヨタテクニカルディベロップメント（株））
主に特許情報 調査解析業務に従事
2014 年 トヨタ自動車（株）出向
知的財産業務に従事

2011 年 1 月には、自動車会社 3 社とエネルギー供給会社
10 社の計 13 社が 2014 年度内からの FCV 普及とそのための水素供給インフラ整備に向けて共同声明が出されている。
自動車会社は FCV 量産車をお客様の要求に合わせて 4 大都市圏から販売すること、また、エネルギー供給会社は水素ステーションをまず 100 基程度を 4 大都市圏とそれを結
経産省や福岡などの各自治体もこれらの活動を支援していprofileくことを公表していただき、まさに官民一体となった普及

高橋 健太郎（たかはし けんたろう）

ぶ高速道路に設置していくことを公表した。これを受けてに向けた具体的な取り組みがスタートしている。

1976 年生まれ
2001年 トヨタ自動車（株）入社

経済産業省は水素・燃料電池戦略協議会を 2013 年 12 月

知的財産業務に従事に立ち上げ、2014 年 6 月に水素・燃料電池戦略ロードマップを発表した。その中で FCV について “2025 年に同車格2014.9.5. no.274

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tokugikon