300℃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

• 固体酸化物形燃料電池（SOFC, ^※1）の中温動作（300℃）に不可欠な高プロトン伝導性酸化物を開発
• 高いプロトン伝導率を発現するメカニズムを計算機シミュレーションにより解明
• SOFCの実用化や大型トラックなどへの多用途化が期待される

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℃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℃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以上」という条件を、300℃で達成するプロトン伝導性酸化物（※2）の開発に成功しました（図１）。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（※3）を用いた分子動力学シミュレーション（※4）を、九州大学の村上恭和教授らが透過型電子顕微鏡（※5）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の実現に繋がり、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）午後6時（日本時間）に掲載されました。

(※1) 固体酸化物形燃料電池（SOFC）
固体酸化物を電解質として用いた燃料電池。商用化されているものは700～800℃という高温で動作しており、他の燃料電池と比べて高いエネルギー変換効率を有する。高温に耐えうる材料で構成する必要があるため材料コストが高く、低温動作化による構成材料コストの低減が求められている。

(※2) プロトン伝導性酸化物
固体中をプロトンが伝導可能な酸化物材料のこと。プロトンの伝導速度を表すのがプロトン伝導率。

(※3) 機械学習ポテンシャル
量子力学の原理に基づく「第一原理計算」の結果を機械学習し、原子間に働く力を高速に計算する手法。第一原理計算と同等精度の結果を100~10000倍高速に取得可能。

(※4) 分子動力学シミュレーション
ニュートンの運動方程式に従って原子や分子の運動をシミュレーションする計算手法。

(※5) 透過型電子顕微鏡
光の代わりに電子ビームで透かして試料を撮影し、原子レベルの内部構造までナノスケールで観察可能な超高解像度の顕微鏡のこと。

掲載誌：Nature Materials
タイトル：Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks
著者名：Kota Tsujikawa, Junji Hyodo, Susumu Fujii, Kazuki Takahashi, Yuto Tomita, Nai Shi, Yasukazu Murakami, Shusuke Kasamatsu and Yoshihiro Yamazaki
DOI：10.1038/s41563-025-02311-w

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エネルギー研究教育機構　山崎仁丈　教授