日本的九州大學的山崎仁丈教授與宮崎大學的奧山勇治副教授等人合作，共同開發出了可用於在400℃的中等溫度下工作的固體氧化物型燃料電池（SOFC）注1）的質子（H+）導電性電解質注2）BaZr0.4Sc0.6O3-δ。
用於SOFC的電解質材料必須具備以下特性：包括晶粒内部和晶界注3）在内，總質子電導率要高於0.01Scm-1，而且相對於燃料電池運行環境中所含的氫、氧、二氧化碳和水氣等性質穩定，但此前一直未能發現這樣的材料。
研究團隊此次於全球首次發現，透過以60％的極高濃度在鋯酸鋇（BaZrO3）中添加鈧，在燃料電池運行的目標溫度400℃下，包括晶粒内部和晶界在内的總質子電導率超過了0.01Scm-1（圖）。另外還證明，如此高的質子導電性在400℃的溫度下能維持200個小時，在400℃的溫度和98％的高濃度二氧化碳氣氛下也能穩定維持240個小時以上。
圖1 被視爲最佳替代元素的釔（Y）在0.2左右的濃度下達到最大值，高濃度化不適合用於提高質子電導率的材料設計。此次發現，與釔相反，在以鈧（Sc）爲替代元素的鋯酸鋇中，隨着濃度提高，總質子電導率明顯提高。
採用該電解質的固體氧化物型燃料電池可在中溫下工作，因此無需再使用昂貴的鉑和耐熱材料，有望大幅降低燃料電池的成本。
【用語解說】
注1）固體氧化物型燃料電池（SOFC）
採用固體氧化物作爲電解質的燃料電池。SOFC是Solid Oxide Fuel Cells的字母縮寫。目前已知，在各種燃料電池中，SOFC的能源轉化效率最高。但其工作溫度高達700-1000℃，需要透過降低工作溫度來削減材料成本和運行成本。燃料電池是使用氫和氧的新一代發電系統，透過與水電解相反的原理來高效率發電。
注2）質子導電性電解質
在燃料電池中，僅選擇性地透過質子（H+），而不透過電子及其他離子的精密固體。
注3）晶粒内部與晶界
原子有序排列的固體稱爲晶體，兩個以上不同取向的晶體之間的界面稱爲晶界。質子導電性電解質由不同取向的晶粒集合體構成，並同時在晶粒内部和晶界傳播。跨晶界的質子傳導明顯受阻。
論文資訊
題目：Fast and stable proton conduction in heavily scandium-doped polycrystalline barium zirconate at intermediate temperatures
期刊：《Advanced Energy Materials》
DOI：10.1002/aenm.202000213
文：JST客觀日本編輯部
