科學研究 - 【JST事業成果】開發可在300℃下發揮功效的高性能電解質材料

山崎仁丈（九州大學能源研究教育機構教授）

國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）革新性GX技術創出事業（GteX）
課題：氫能領域「基於革新性材料構建新一代燃料電池系統」主要共同研究人員
（2023-2027／研發負責人：稻葉稔（同志社大學理工學部教授））

|300℃下顯示高質子電導率

九州大學能源研究教育機構的山崎仁丈教授等人的研究團隊，成功開發出了可在300℃下發揮功效的固態氧化物燃料電池※1的電解質※2材料。固態氧化物燃料電池以氫氣為燃料發電，發電時不排放二氧化碳，因此作為新一代燃料電池備受關注。

研究團隊對作為電解質材料的錫酸鋇與鈦酸鋇的部分金屬元素位點進行了高濃度鈧置換，全球首次實現了300℃條件下0.01西門子/厘米以上的質子電導率。質子電導率是表示質子（氫離子）在物質中遷移速度的指標，該數值越高，燃料電池的發電效率就越高。此外，這種電解質材料在高濃度二氧化碳環境下結構依然穩定，表現出了較高的耐久性。

※1固態氧化物燃料電池：通過使氫氣等燃料發生氧化反應提取電能的燃料電池，具備較高的發電效率。
※2電解質：具有離子傳導特性的物質，可實現離子在燃料電池內部的遷移。

|成本阻礙了固態氧化物燃料電池的普及

固態氧化物燃料電池需在高溫下仍能工作

固態氧化物燃料電池具有以氫氣為燃料，發電時不排放二氧化碳的特徵。儘管其作為二氧化碳減排的適配技術備受各方關注，但目前已實用化的產品需在700℃至800℃的高溫下工作，所以需要採用耐熱材料製造。而耐熱材料價格昂貴，材料成本高昂已成為阻礙固態氧化物燃料電池普及的壁壘。若能將可高效發電的溫度降至300℃左右，則不僅可使用更廉價的材料來降低成本，還有望縮短發電時長、簡化熱管理。如此一來，固態氧化物燃料電池就有望應用於家用發電系統、車載用途等較以往更廣泛的場景。

質子濃度與質子陷阱的兩難困境

要讓固態氧化物燃料電池在低溫下工作，就需要低溫條件下能夠具有高質子電導率的電解質材料。因此，研究團隊將目光投向了在400℃至600℃溫度範圍內具有高質子電導率的質子傳導性氧化物。

要飛躍性地提升質子電導率，只需提高「質子濃度」與「遷移難易程度」兩個要素即可。在質子傳導性氧化物中，質子濃度與置換型添加元素的濃度成正比上升。置換型添加元素指具有原子置換性質的元素。然而，已知增加添加元素會引發被稱作「質子陷阱」的現象。這是一種由置換元素限制質子遷移的現象，尤其在300℃左右的低溫區間，質子遷移率會出現顯著下降。這一問題自1981年質子傳導性氧化物被發現以來，始終未能得到解決。

|開發成功新型電解質材料，八面體連接是關鍵

兩種電解質材料表現出較高性能

本研究以質子傳導性氧化物錫酸鋇、鈦酸鋇為對象，採用經高濃度鈧（Sc）置換的材料，對其質子電導率進行了評估。結果顯示，該材料在300℃的中溫條件下，全球首次達到了固態氧化物燃料電池多晶電解質材料所需的「0.01西門子/厘米以上的質子電導率」（圖1）。此外，電解質在發電時即便暴露在二氧化碳環境中仍能維持性能這一點也至關重要，本次開發的材料即便在高濃度二氧化碳環境下也未出現性能衰減，表現出了較高的耐久性。

圖1溫度與質子電導率
兩種材料（淺藍色、紅色曲線）在300℃下仍表現出高質子電導率。

質子電導率得以提升的理由

研究認為，本次開發的電解質材料之所以能實現高質子電導率，主要有兩個原因。

第一，與以往長期使用的含鋯（Zr）材料相比，錫酸鋇和鈦酸鋇具有「柔韌」的特性，可摻雜更多鈧元素。由此，實現了70%與80%的高濃度鈧置換。

第二，即便添加高濃度鈧，質子遷移率也未出現下降，即成功規避了質子陷阱效應。為探明其中機制，研究團隊對質子的遷移行為進行了模擬。通常情況下，質子與氧相鄰存在，在構成八面體結構的氧原子之間豎鍛遷移（圖2左）。鈧八面體並非以相互連接的狀態存在，孤立的八面體會束縛質子，阻礙其高速遷移。但研究表明，高濃度置換鈧後八面體會相互連接，質子可沿該連通路徑實現高速遷移（圖2右）。