大發(fā)開發(fā)液體燃料

在普遍認(rèn)為PEFC將會成為FCV燃料電池的主流的情況下，大發(fā)工業(yè)則提出了不同的觀點(diǎn)。該公司認(rèn)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(bǔ)充液體燃料。設(shè)想使用的燃料是水合肼和二氨基脲。

圖5：改進(jìn)液體燃料 大發(fā)工業(yè)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(diǎn)。

與水合肼相比，二氨基脲沒有毒性，更易于儲存和使用。但輸出功率較低，因此，目前的開發(fā)是2種燃料并行。因?yàn)殡娊赓|(zhì)膜使用的是陰離子交換膜，所以催化劑可以采用鎳類和鐵類。

馬達(dá)：無鏑一舉解決資源問題和高性能化

與燃料電池相同，馬達(dá)也背負(fù)著資源風(fēng)險。這是因?yàn)樽笥荫R達(dá)性能的磁鐵大量使用稀土。面向純電動汽車的馬達(dá)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(chǎn)量主要集中在中國，而且會對磁鐵的性能產(chǎn)生影響。日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（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?qū)ν庾龉Φ淖畲笾担�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(fā)日趨活躍，昭和電工已于2013年11月底面向FA投入量產(chǎn)。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(xì)化增加（圖6）。寶野等人與豐田合作，正在著手開發(fā)晶體粒徑不到1μm的釹磁鐵�，F(xiàn)在，晶體粒徑為0.2μ～0.3μm的試制品的矯頑力達(dá)到了約2T�！胺�合純電動汽車需要的2.5～3T的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入了視野”（寶野）。在這項(xiàng)研究中，縮小晶體粒徑采用了熱加工處理的方式。處理得到了大同電子的協(xié)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于1μm的有效方法。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的資料制作）

除此之外，馬達(dá)開發(fā)還出現(xiàn)了開創(chuàng)新構(gòu)造的動向。芝浦工業(yè)大學(xué)工學(xué)部電氣電子學(xué)群電子工學(xué)科副教授赤津觀正在開發(fā)利用GMR（giant magnetoresistance）元件替代線圈的馬達(dá)（圖7）。

圖7：利用GMR元件制造自旋電子馬達(dá) 芝浦工業(yè)大學(xué)的赤津提出了利用GMR元件制造自旋電子馬達(dá)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(jīng)電子》根據(jù)芝浦工業(yè)大學(xué)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(dá)的定子，使用永磁鐵作為轉(zhuǎn)子的“自旋電子馬達(dá)”已經(jīng)出現(xiàn)。

鐵心采用線圈的傳統(tǒng)定子會因?yàn)殂~線的銅損導(dǎo)致扭矩降低。而采用GMR元件可以消除銅損，從而實(shí)現(xiàn)高扭矩馬達(dá)。馬達(dá)目前尚處于工作驗(yàn)證階段，“首先將爭取在醫(yī)療器械等小型產(chǎn)品中投入實(shí)用”（赤津）。

逆變器：替代碳化硅的氧化鎵，力爭2020年供應(yīng)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(zhuǎn)變成交流，帶動馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著充電電池和馬達(dá)的進(jìn)化，新一代逆變器的研發(fā)也在同步開展。

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

“有一種材料蘊(yùn)含著超越碳化硅的潛力”——日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）的東脅正高（NICT未來ICT研究所綠色I(xiàn)CT器件尖端開發(fā)中心主任）的研究組把目光對準(zhǔn)了氧化鎵（Ga2O3）。因?yàn)榕c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(dǎo)體。

氧化鎵有多種晶體結(jié)構(gòu)，β型最為穩(wěn)定。β型氧化鎵的帶隙高達(dá)4.8～4.9eV。相當(dāng)于硅的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(dǎo)體性能的低損耗性的指標(biāo)“Baliga優(yōu)值指數(shù)”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(jī)構(gòu)等研究組正在開發(fā)使用β型氧化鎵的新一代功率半導(dǎo)體（a）。并對使用該材料的耗盡型MOSFET的工作情況進(jìn)行了確認(rèn)（b）。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)信息通信研究機(jī)構(gòu)的資料制作）

東脅等人已經(jīng)在2012年試制β型氧化鎵MESFET（metal semiconductorfield effect transistor），并對工作情況進(jìn)行了確認(rèn)。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(guān)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(guān)比的實(shí)用水平為106～107上下。

NICT為了推動氧化鎵的開發(fā)，在2013年12月1日成立了“綠色I(xiàn)CT器件尖端開發(fā)中心”。擔(dān)任主任的東脅意氣風(fēng)發(fā)地表示，“我們將從2020年開始供應(yīng)氧化鎵功率半導(dǎo)體樣品，在2025年之前正式投入量產(chǎn)”。