科学研究 - 【JST事业成果】开发可在300℃下发挥功效的高性能电解质材料

山崎仁丈（九州大学能源研究教育机构教授）

国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）革新性GX技术创出事业（GteX）
课题：氢能领域“基于革新性材料构建新一代燃料电池系统”主要共同研究人员
（2023-2027／研发负责人：稻叶稔（同志社大学理工学部教授））

|300℃下显示高质子电导率

九州大学能源研究教育机构的山崎仁丈教授等人的研究团队，成功开发出了可在300℃下发挥功效的固体氧化物燃料电池※1的电解质※2材料。固体氧化物燃料电池以氢气为燃料发电，发电时不排放二氧化碳，因此作为新一代燃料电池备受关注。

研究团队对作为电解质材料的锡酸钡与钛酸钡的部分金属元素位点进行了高浓度钪置换，全球首次实现了300℃条件下0.01西门子/厘米以上的质子电导率。质子电导率是表示质子（氢离子）在物质中迁移速度的指标，该数值越高，燃料电池的发电效率就越高。此外，这种电解质材料在高浓度二氧化碳环境下结构依然稳定，表现出了较高的耐久性。

※1固体氧化物燃料电池：通过使氢气等燃料发生氧化反应提取电能的燃料电池，具备较高的发电效率。
※2电解质：具有离子传导特性的物质，可实现离子在燃料电池内部的迁移。

|成本阻碍了固体氧化物燃料电池的普及

固体氧化物燃料电池需在高温下仍能工作

固体氧化物燃料电池具有以氢气为燃料，发电时不排放二氧化碳的特征。尽管其作为二氧化碳减排的适配技术备受各方关注，但目前已实用化的产品需在700℃至800℃的高温下工作，所以需要采用耐热材料制造。而耐热材料价格昂贵，材料成本高昂已成为阻碍固体氧化物燃料电池普及的壁垒。若能将可高效发电的温度降至300℃左右，则不仅可使用更廉价的材料来降低成本，还有望缩短发电时长、简化热管理。如此一来，固体氧化物燃料电池就有望应用于家用发电系统、车载用途等较以往更广泛的场景。

质子浓度与质子陷阱的两难困境

要让固体氧化物燃料电池在低温下工作，就需要低温条件下能够具有高质子电导率的电解质材料。因此，研究团队将目光投向了在400℃至600℃温度范围内具有高质子电导率的质子传导性氧化物。

要飞跃性地提升质子电导率，只需提高“质子浓度”与“迁移难易程度”两个要素即可。在质子传导性氧化物中，质子浓度与置换型添加元素的浓度成正比上升。置换型添加元素指具有原子置换性质的元素。然而，已知增加添加元素会引发被称作“质子陷阱”的现象。这是一种由置换元素限制质子迁移的现象，尤其在300℃左右的低温区间，质子迁移率会出现显著下降。这一问题自1981年质子传导性氧化物被发现以来，始终未能得到解决。

|开发成功新型电解质材料，八面体连接是关键

两种电解质材料表现出较高性能

本研究以质子传导性氧化物锡酸钡、钛酸钡为对象，采用经高浓度钪（Sc）置换的材料，对其质子电导率进行了评估。结果显示，该材料在300℃的中温条件下，全球首次达到了固体氧化物燃料电池多晶电解质材料所需的“0.01西门子/厘米以上的质子电导率”（图1）。此外，电解质在发电时即便暴露在二氧化碳环境中仍能维持性能这一点也至关重要，本次开发的材料即便在高浓度二氧化碳环境下也未出现性能衰减，表现出了较高的耐久性。

图1温度与质子电导率
两种材料（浅蓝色、红色曲线）在300℃下仍表现出高质子电导率。

质子电导率得以提升的理由

研究认为，本次开发的电解质材料之所以能实现高质子电导率，主要有两个原因。

第一，与以往长期使用的含锆（Zr）材料相比，锡酸钡和钛酸钡具有“柔韧”的特性，可掺入更多钪元素。由此，实现了70%与80%的高浓度钪置换。

第二，即便添加高浓度钪，质子迁移率也未出现下降，即成功规避了质子陷阱效应。为探明其中机制，研究团队对质子的迁移行为进行了模拟。通常情况下，质子与氧相邻存在，在构成八面体结构的氧原子之间跳跃迁移（图2左）。钪八面体并非以相互连接的状态存在，孤立的八面体会束缚质子，阻碍其高速迁移。但研究表明，高浓度置换钪后八面体会相互连接，质子可沿该连通路径实现高速迁移（图2右）。