東北大ら、高温・大気中で安定な混合導電体開発：SOFCの高性能と低温動作に対応

東北大学は、米国マサチューセッツ工科大学との国際共同研究により、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の高性能化や低温作動を可能にする「n型混合導電体」を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電子と酸化物イオン伝導が共存するn型混合導電体

　東北大学大学院工学研究科の高村仁教授らは2019年4月、米国マサチューセッツ工科大学との国際共同研究により、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の高性能化や低温作動を可能にする「n型混合導電体」を開発したと発表した。

　水素エネルギー社会の実現に向けて、SOFCなど高温電気化学デバイスが注目されている。SOFCの普及を一段と加速するため、セルの高性能化や動作温度の低温化を実現する研究も進んでいる。そのカギを握るのが、酸素還元反応を担う正極（カソード）材料の活性を高めることだといわれている。

　これまで正極材料には、コバルトや鉄を含む混合導電体が用いられてきた。この材料は正孔（ホール）と酸化物イオンが電気伝導を担っていることから、「p型混合導電体」と呼ばれている。しかし、p型は電子がエネルギー的に低い位置にあり、酸素還元反応には不利だといわれている。

　そこで研究チームは、電子と酸化物イオン伝導共存するn型混合導電体の開発に取り組んだ。より効率的に電子を供給することで、酸素還元反応を促進することができるためだ。ところが従来の手法だと、アクセプター置換方式で混合導電体を作製していたため、高温酸化性（大気）雰囲気では安定したn型混合導電体を実現できなかった。

p型（上）とn型（下）の酸化物における吸着酸素への電子供与の模式図 出典：東北大学

　今回は、多量の規則化した酸素空孔をもつブラウンミレライト型構造のBa₂In₂O₅をホスト材料として、Ba²⁺の位置にNd³⁺を、In³⁺の位置にMn⁴⁺を、それぞれドナーとして置換した。これによって、ペロブスカイト型構造を安定化させることに成功した。

　ドナー置換されたペロブスカイト型構造のBa_0.9Nd_0.1In_0.7Mn_0.3O_3-δは、酸素空孔が結晶中に残存している。加えて、ドナー置換では電子も同時に生成するため、n型混合導電体を実現することができた。電気伝導度の温度や酸素分圧依存性、酸素透過性、酸素濃淡電池、ゼーベック係数等の測定を行った結果、750℃近傍の高温・大気中でも安定してn型混合導電性を発現することを確認した。

n型混合導電体Ba_0.9Nd_0.1In_0.7Mn_0.3O_3-δの結晶構造の模式図 出典：東北大学

　研究チームは今後、開発したn型混合導電体を、現行SOFCの正極材料に適用し、特性などを検証することにしている。さらに、SOFC以外の高温電気化学デバイスに対する応用なども検討する予定だ。