中温作動の燃料電池向け六方晶ペロブスカイト酸化物のプロトン伝導性向上研究

Tokyo東京工業大学の研究者たちは、燃料電池技術で大きな前進を遂げました。彼らは、六方晶ペロブスカイト型酸化物、特に<強>Ba₅R₂Al₂SnO₁₃</強>（ここでRは希土類金属）が、プロトンセラミック燃料電池（PCFC）に効果的な材料となることを発見しました。この発見は、より優れた燃料電池の開発に向けて期待されています。

• 優れたプロトン導電性
• 高い熱的安定性
• 独自の結晶構造
• 完全な水和能力
• 高いプロトン拡散性

燃料電池は、水素と酸素を組み合わせて電気を生成し、廃棄物として水と熱だけを排出します。主にアノード、カソード、電解質という3つの部分から構成されています。アノードでは、水素がプロトン（H⁺）と電子に分解されます。プロトンは電解質を通ってカソードに移動し、酸素と結びついて水を生成します。

ほとんどの燃料電池である固体酸化物形燃料電池（SOFC）は酸化物イオン導電体を用い、高温での動作が必要です。しかし、その高温は材料の消耗を引き起こすことがあります。そのため、研究者たちはより低温（200～500°C）で作動できるプロトンセラミック燃料電池（PCFC）に注目しています。しかし、これらの低温で良好なプロトン導電性と安定性を持つ材料を見つけることは困難です。

東京工業大学と東北大学のヤシマ・マサトモ教授が率いる研究チームは、Ba₅R₂Al₂SnO₁₃酸化物が優れた電解質となる可能性を発見しました。この酸化物は約300°Cでのプロトン伝導度がほぼ0.01 S cm⁻¹と高く、他の類似した材料よりも優れています。研究に使用された希土類金属は、Gd、Dy、Ho、Y、Er、Tm、Ybです。

「私たちは、Ba₅Er₂Al₂SnO₁₃ (BEAS)が優れたセラミックプロトン導電体の一つであると結論づけました。」と八島氏は述べています。この新しい材料は、高速なプロトン伝導において大きな可能性を秘めています。

高いプロトン伝導性は、素材の特有な結晶構造によるものです。この構造には八面体の層とA O₃-δ (h')と呼ばれる酸素が少ない層があります。水が加わると、それらの層の空隙が埋められ、水酸基（OH⁻）が形成されます。これがプロトン（H⁺）を放出し、そのプロトンが構造全体を移動することで、伝導性が向上します。

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研究者たちは固体反応によってBEASを作成しました。この材料には多くの酸素欠損（δ = 0.2）があり、水を完全に取り込むことができました。湿った窒素環境下で356 °Cにおいて、その導電率は乾燥した窒素環境より2,100倍も高いことが判明しました。完全に水和した状態では、303 °Cでの導電率は0.01 S cm⁻¹でした。

八面体層はプロトンの移動を容易にし、その結果プロトンの伝導性を高めます。シミュレーションによると、これらの層内のプロトンは長距離を移動することが示され、これは高速で移動することを示しています。八島は、BEASが高いプロトン伝導性を持っている理由は、多くのプロトン数と高い拡散速度があるためだと説明しています。

この材料は、PCFC作業で使用される温度下で化学薬品に対して安定しています。水蒸気、酸素、空気、水素、および二酸化炭素と共に600℃での試験でも、その組成や構造に変化が見られませんでした。つまり、非常に頑丈で、長期間使用しても劣化しないことがわかります。

八島氏は、多くの酸素空隙を持つ特定の材料における高いプロトン伝導性が、将来的に効果的なプロトン導体を作り出すための優れた方法であると述べています。

この素材は、燃料電池をより効率的にし、寿命を延ばし、低温でも稼働可能にする可能性があります。