燃料電池の低コスト化につながる電解質 300℃で高プロトン伝導率：固体酸化物形燃料電池

九州大学らの研究グループは、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の動作温度を300℃という温度域まで下げることができる電解質材料を開発した。これにより、高価な耐熱材料が不要となり、SOFCのコストダウンが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

BaSnO₃とBaTiO₃に対し、極めて高い濃度でScを置換

　九州大学エネルギー研究教育機構・工学府材料工学専攻の山崎仁丈教授らによる研究グループは2025年8月、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の動作温度を300℃という温度域まで下げることができる電解質材料を開発したと発表した。これにより、高価な耐熱材料が不要となり、SOFCのコストダウンが可能となる。

プロトン伝導率の温度依存性［クリックで拡大］ 出所：九州大学他

　SOFCは、水素を燃料とし発電時に二酸化炭素を排出しない発電デバイス。ところが、発電の動作温度が700〜800℃と高く、現状では高価な耐熱材料を用いる必要がある。このため、家庭用や車載用として広く普及させるには動作温度を300℃以下にして、材料コストを抑える工夫などが求められていた。

　こうした中で注目されているのが「プロトン伝導性酸化物」である。開発した酸化物は、SOFCの電解質材料として求められる「0.01Scm^-1以上のプロトン伝導率」を、動作温度300℃で達成した。

　研究グループは今回、スズ酸バリウム（BaSnO₃）とチタン酸バリウム（BaTiO₃）というペロブスカイト型酸化物に対して、70％および80％という極めて高い濃度でスカンジウム（Sc）を置換した。これらの材料（BaSn_0.3Sc_0.7O_3-δとBaTi_0.2Sc_0.8O_3-δ）を試作してプロトン伝導率を調べたところ、「300℃で0.01Scm^-1以上のプロトン伝導率」という条件をクリアした。

　さらに、BaSn_0.3Sc_0.7O_3-δについて、CO₂への耐久性を評価した。この結果、濃度98％のCO₂雰囲気で398時間が経過しても、ペロブスカイト型酸化物のまま存在していることを確認した。このことは燃料電池の電解質材料として、安定していることを示すものだという。

　研究グループは、Scを高濃度に添加しても従来のプロトン伝導性酸化物のように移動度が低下しない理由を調べた。ここでは山形大学の笠松秀輔准教授らが機械学習ポテンシャルを用いた分子力学シミュレーションを行い、プロトン拡散の様子を追跡した。また、九州大学の村上恭和教授らは透過型電子顕微鏡を用いてその構造を観察した。

　この結果、Scを高濃度に置換することでScO₆八面体が連なった原子配列となっており、これに沿った経路上でプロトンが高速に移動することが分かった。

Scの高濃度置換によるプロトンの移動経路形成イメージ［クリックで拡大］ 出所：九州大学他