日本的九州大学的山崎仁丈教授与宫崎大学的奥山勇治副教授等人合作，共同开发出了可用于在400℃的中等温度下工作的固体氧化物型燃料电池（SOFC）注1）的质子（H+）导电性电解质注2）BaZr0.4Sc0.6O3-δ。
用于SOFC的电解质材料必须具备以下特性：包括晶粒内部和晶界注3）在内，总质子电导率要高于0.01Scm-1，而且相对于燃料电池运行环境中所含的氢、氧、二氧化碳和水蒸气等性质稳定，但此前一直未能发现这样的材料。
研究团队此次于全球首次发现，通过以60％的极高浓度在锆酸钡（BaZrO3）中添加钪，在燃料电池运行的目标温度400℃下，包括晶粒内部和晶界在内的总质子电导率超过了0.01Scm-1（图）。另外还证明，如此高的质子导电性在400℃的温度下能维持200个小时，在400℃的温度和98％的高浓度二氧化碳气氛下也能稳定维持240个小时以上。
图1 被视为最佳替代元素的钇（Y）在0.2左右的浓度下达到最大值，高浓度化不适合用于提高质子电导率的材料设计。此次发现，与钇相反，在以钪（Sc）为替代元素的锆酸钡中，随着浓度提高，总质子电导率明显提高。
采用该电解质的固体氧化物型燃料电池可在中温下工作，因此无需再使用昂贵的铂和耐热材料，有望大幅降低燃料电池的成本。
【用语解说】
注1）固体氧化物型燃料电池（SOFC）
采用固体氧化物作为电解质的燃料电池。SOFC是Solid Oxide Fuel Cells的字母缩写。目前已知，在各种燃料电池中，SOFC的能源转换效率最高。但其工作温度高达700-1000℃，需要通过降低工作温度来削减材料成本和运行成本。燃料电池是使用氢和氧的新一代发电系统，通过与水电解相反的原理来高效率发电。
注2）质子导电性电解质
在燃料电池中，仅选择性地通过质子（H+），而不通过电子及其他离子的精密固体。
注3）晶粒内部与晶界
原子有序排列的固体称为晶体，两个以上不同取向的晶体之间的界面称为晶界。质子导电性电解质由不同取向的晶粒集合体构成，并同时在晶粒内部和晶界传播。跨晶界的质子传导明显受阻。
论文信息
题目：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客观日本编辑部
