電動車輛性能將超過汽油車，憑材料革新突飛猛進【3】

大發開發液體燃料

在普遍認為PEFC將會成為FCV燃料電池的主流的情況下，大發工業則提出了不同的觀點。該公司認為，“考慮到易用性，液體燃料才是最佳選擇”。在2013年的東京車展上，展出了概念車“FC 凸 DECK”（圖5）。這輛汽車通過更換燃料瓶的方式補充液體燃料。設想使用的燃料是水合?和二氨基?。

圖5：改進液體燃料 大發工業的FCV概念車“FC 凸 DECK”在“第43屆東京車展2013”上首度展露真容。使用無需貴金屬的液體燃料是最大的特點。

與水合?相比，二氨基?沒有毒性，更易於儲存和使用。但輸出功率較低，因此，目前的開發是2種燃料並行。因為電解質膜使用的是陰離子交換膜，所以催化劑可以採用鎳類和鐵類。

馬達：無鏑一舉解決資源問題和高性能化

與燃料電池相同，馬達也背負著資源風險。這是因為左右馬達性能的磁鐵大量使用稀土。面向純電動汽車的馬達必不可少的釹磁鐵含有重量比約為8％的稀土鏑（Dy）。

釹磁鐵使用鏑是為了在170∼200℃的高溫下維持較高的矯頑力。但鏑不僅產量主要集中在中國，而且會對磁鐵的性能產生影響。日本物質材料研究機構（NIMS）研究員磁性材料組組長寶野和博說：“使用鏑的話，會使磁鐵能夠對外做功的最大值，也就是最大能量密度大幅降低。”因此，如果能夠制造出“無鏑”的釹磁鐵，資源和性能兩大課題即可迎刃而解。

無鏑釹磁鐵的開發日趨活躍，昭和電工已於2013年11月底面向FA投入量產。其性能與添加了4％的鏑的釹磁鐵不相上下。

釹磁鐵的矯頑力隨晶體粒徑的微細化增加（圖6）。寶野等人與豐田合作，正在著手開發晶體粒徑不到1μm的釹磁鐵。現在，晶體粒徑為0.2μ∼0.3μm的試制品的矯頑力達到了約2T。“符合純電動汽車需要的2.5∼3T的實現已經進入了視野”（寶野）。在這項研究中，縮小晶體粒徑採用了熱加工處理的方式。處理得到了大同電子的協助。

圖6：縮小晶體粒徑，不依靠鏑提高矯頑力 釹磁鐵具有晶體粒徑越小，越容易提高矯頑力的傾向。熱加工是使晶體粒徑小於1μm的有效方法。（圖：《日經電子》根據日本物質材料研究機構的資料制作）

除此之外，馬達開發還出現了開創新構造的動向。芝浦工業大學工學部電氣電子學群電子工學科副教授赤津觀正在開發利用GMR（giant magnetoresistance）元件替代線圈的馬達（圖7）。

圖7：利用GMR元件制造自旋電子馬達 芝浦工業大學的赤津提出了利用GMR元件制造自旋電子馬達的方案。目的是把定子更換為GMR元件，借此提高扭矩密度。（圖：《日經電子》根據芝浦工業大學的資料制作）

GMR元件可以利用電流控制磁化方向。使用GMR元件作為馬達的定子，使用永磁鐵作為轉子的“自旋電子馬達”已經出現。

鐵心採用線圈的傳統定子會因為銅線的銅損導致扭矩降低。而採用GMR元件可以消除銅損，從而實現高扭矩馬達。馬達目前尚處於工作驗証階段，“首先將爭取在醫療器械等小型產品中投入實用”（赤津）。

逆變器：替代碳化硅的氧化鎵，力爭2020年供應樣品

逆變器的作用是將大容量充電電池存儲的電能從直流轉變成交流，帶動馬達運轉。隨著充電電池和馬達的進化，新一代逆變器的研發也在同步開展。

逆變器小型化和高性能化的關鍵，掌握在功率半導體的手中。在純電動汽車用途，新一代功率半導體碳化硅（SiC）公認將成為主流。按照羅姆的推測，驅動馬達的逆變器“將從2016∼2017年開始配備”碳化硅。開發碳化硅的競爭對手也在為2010年代后期投入實用而相互較勁。

“有一種材料蘊含著超越碳化硅的潛力”——日本信息通信研究機構（NICT）的東脅正高（NICT未來ICT研究所綠色ICT器件尖端開發中心主任）的研究組把目光對准了氧化鎵（Ga2O3）。因為與碳化硅和氮化鎵（GaN）相比，氧化鎵能夠以低廉的成本，制造出耐壓高、損耗低的功率半導體。

氧化鎵有多種晶體結構，β型最為穩定。β型氧化鎵的帶隙高達4.8∼4.9eV。相當於硅的4倍以上，甚至比碳化硅的3.3eV、氮化鎵的3.4eV還要高（圖8）。而且，左右功率半導體性能的低損耗性的指標“Baliga優值指數”約是碳化硅的10倍、氮化鎵的4倍。

圖8：利用氧化鎵試制MOSFET 信息通信研究機構等研究組正在開發使用β型氧化鎵的新一代功率半導體（a）。並對使用該材料的耗盡型MOSFET的工作情況進行了確認（b）。（圖：《日經電子》根據信息通信研究機構的資料制作）

東脅等人已經在2012年試制β型氧化鎵MESFET（metal semiconductorfield effect transistor），並對工作情況進行了確認。這次又使用該材料試制了耗盡型MOSFET。試制品的耐壓為370V，加載+4V的柵極電壓時，最大漏電流密度為39mA/mm。漏電流的開關比在100℃下為107左右，在250℃的高溫下也保持住了104左右的水平。漏電流開關比的實用水平為106∼107上下。

NICT為了推動氧化鎵的開發，在2013年12月1日成立了“綠色ICT器件尖端開發中心”。擔任主任的東脅意氣風發地表示，“我們將從2020年開始供應氧化鎵功率半導體樣品，在2025年之前正式投入量產”。