300度で世界最高のプロトン伝導率を有する安定酸化物を開発

SOFCは、高効率かつ高耐久な燃料電池の１つです。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であり、水素エネルギー社会実現に向けた中核技術として注目されています。しかし、発電の動作温度は700～800度と高く、高価な耐熱材料の使用による材料コストが課題となっています。もし300度程度の中温度域で発電できれば、より安価な耐熱材料の使用によるコスト削減が期待されますが、この温度域で十分な性能を持つ電解質材料はこれまで見つかっていませんでした。

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 教授の研究グループは、スズ酸バリウム（BaSnO₃）とチタン酸バリウム（BaTiO₃）にスカンジウム（Sc）を高濃度で置換することで、SOFCの電解質材料に求められる「プロトン伝導率が0.01 S cm^-1（ジーメンスパーセンチメートル）以上」という条件を、300度で達成するプロトン伝導性酸化物の開発に成功しました。さらに、この高いプロトン伝導がなぜ発現したのかを明らかにするために、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動力学シミュレーションを、九州大学の村上 恭和 教授らが透過型電子顕微鏡による構造観察を行いました。その結果、ScO₆八面体が連なった特徴的な原子配列が、結晶内での高速なプロトンの移動を可能にしていることが解明されました。

今回の発見は、プロトン伝導性酸化物が1981年に発見されて以来、その高性能化を阻むプロトントラップ回避方法を初めて提案、実証した点に意義があります。これにより、低コストな中温動作SOFCの実現につながり、SOFCの実用化や多用途化を大きく加速させることが期待されます。

本成果は、英国の雑誌「Nature Materials」に2025年8月8日（金）（日本時間）に掲載されました。