300度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~大型トラックなど固体酸化物形燃料電池の多用途化を推進~

2025-08-08 九州大学

九州大学らの研究チームは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の中温動作(300℃)に必要な高プロトン伝導性酸化物を開発した。BaSnO₃とBaTiO₃に高濃度のScを置換することで、300℃で0.01 S/cm以上という世界最高の伝導率を達成。機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションと透過型電子顕微鏡観察により、ScO₆八面体ネットワークが結晶内の高速プロトン移動を可能にしていることを解明した。1981年以来の課題だったプロトントラップ回避法を初めて実証し、低コスト中温SOFCの実用化・多用途化(大型トラックなど)への展開が期待される。

300度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~大型トラックなど固体酸化物形燃料電池の多用途化を推進~
図1.プロトン伝導率の温度依存性

<関連情報>

立方晶ペロブスカイト酸化物におけるプロトン捕獲の軽減にScO6八面体ネットワークを活用Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks

Kota Tsujikawa,Junji Hyodo,Susumu Fujii,Kazuki Takahashi,Yuto Tomita,Nai Shi,Yasukazu Murakami,Shusuke Kasamatsu & Yoshihiro Yamazaki
Nature Materials  Published:08 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02311-w

Abstract

Advances in electrochemical devices have been primarily driven by the discovery and development of electrolyte materials. Yet the development of high-performance and chemically stable proton-conducting oxide electrolytes remains a challenge due to proton trapping and the resulting trade-offs between ionic carrier concentration and conductivity in doped oxides. Here we demonstrate that cubic perovskite oxides with heavy Sc doping can overcome these limitations. BaSn0.3Sc0.7O3–δ and BaTi0.2Sc0.8O3–δ are found to exceed the technological threshold of a total proton conductivity of 0.01 S cm−1 for fuel cell electrolytes at 300 °C. The structural stability of BaSn0.3Sc0.7O3–δ is further validated under harsh chemical and fuel cell conditions. Molecular dynamics simulations using a machine learning force field illustrate rapid proton diffusion pathways along the ScO6 octahedral network, effectively mitigating proton trapping, while protons are preferentially associated with Sc. Lattice softness is proposed as a primary design descriptor for increasing Sc content in perovskite oxides and developing high-performance electrolytes for electrochemical devices.

0501セラミックス及び無機化学製品
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