科学技術振興機構（JST）課題達成型基礎研究の一環として、JSTさきがけ研究者の山崎 仁丈らは、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の動作温度を350℃にまで下げるための材料設計指針を明らかにした。

燃料電池は、水素などの燃料と空気（酸素）を反応させて電力を取り出す仕組みで、環境に優しく効率的な発電装置。使用する材料によってさまざまな方式の燃料電池が開発されるが、最も高いエネルギー変換効率を示すのがSOFCだ。しかし、現状は動作温度が700～1000℃と高温であることから、大型発電設備や家庭用発電に用途が限られている。SOFCを多様な用途で使用するには動作温度を700℃以下にする必要があり、さらにノートパソコンや携帯電話向けには、450℃以下の動作温度に下げることが必要。

今回、代表的なプロトン伝導性酸化物としてイットリウムを添加したジルコン酸バリウムを用いて、高温下のプロトンの挙動を観測した結果、プロトンの伝導しやすさは、イットリウムとプロトンの引きつけ合う力である束縛エネルギーによって決まることが分かった。また、添加元素とプロトン間の束縛エネルギーが小さいほど、プロトン伝導度が向上する法則を発見し、束縛エネルギーと電解質の動作温度の関係を明らかにした。このモデルに基づき、束縛エネルギーが低い添加元素を用いた場合、350℃という中温度域でも燃料電池の動作に十分なプロトン伝導が得られることが示された。

今後、このモデルに基づいた材料の開発により、真に中温度域動作が可能な高効率な燃料電池の開発だけではなく、燃料電池に使用できる材料の選択性が広がることが期待される。

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