高いプロトン伝導性と化学的安定性を兼ね備えた電解質材料を開発

　九州大学稲盛フロンティア研究センター、九州大学大学院工学府材料物性工学専攻および九州大学エネルギー研究教育機構の山崎仁丈教授は、九州大学稲盛フロンティア研究センターの兵頭潤次特任助教、九州大学大学院工学府材料物性工学専攻の北林康喜氏(修士課程２年)、星野健太氏(博士課程３年)および宮崎大学工学教育研究部の奥山勇治准教授らと共同で、400℃の中温度で動作する固体酸化物型燃料電池（SOFC）に用いられるプロトン(H⁺)伝導性電解質BaZr₀.₄Sc₀.₆O₃₋δ（δは下付き文字）を開発しました。
　SOFCに用いる電解質材料は、結晶粒内と粒界を含んだ全プロトン伝導度が0.01 Scm⁻¹を超え、かつ燃料電池動作環境に含まれる水素、酸素、二酸化炭素、水蒸気に対して安定でなければなりませんが、このような材料はこれまで見出されていませんでした。
　本研究グループは、ジルコン酸バリウム(BaZrO₃)にスカンジウムを60％という極めて高い濃度で添加することで、燃料電池動作の目標温度である400℃において結晶粒内と粒界を含んだ全プロトン伝導度が0.01 Scm⁻¹を超えることを初めて見出しました(図)。さらに、その高いプロトン伝導性は400℃において200時間維持され、400℃、98%という高濃度の二酸化炭素雰囲気下においても240時間以上安定であることが実証されました。
　本電解質を用いた固体酸化物型燃料電池では、中温動作により高価な白金や耐熱材料が不必要となるため、燃料電池の大幅コストダウンが期待されます。
本研究は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業CREST(JPMJCR18J3)、科学研究費補助金(JP15H02287、 JP16H06124、JP18H01694)の支援を受けました。
　本研究成果は、２０２０年５月２８日（木）（日本時間）にWiley-VCH社が発行する科学誌「Advanced Energy Materials」のオンライン版で公開されます。

研究者からひとこと

今回行った耐二酸化炭素特性試験は、400℃の大気に67年間、暴露したことと同等の試験結果です。開発した材料が固体酸化物型燃料電池の実働条件において、非常に安定であることを示しています。

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論文情報

Fast and stable proton conduction in heavily scandium-doped polycrystalline barium zirconate at intermediate temperatures, Advanced Energy Materials,
10.1002/aenm.202000213

研究に関するお問い合わせ先

山崎 仁丈　エネルギー研究教育機構　教授
兵頭 潤次　稲盛フロンティア研究センター　特任助教