科学技術振興機構 研究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～
【産学連携対象 全学共通分野 Discovery Saga】
【Sagaキーワード】
スーパーコンピュータ/機械学習/分子動力学シミュレーション/計算機シミュレーション/プロトン伝導/物理化学/水素エネルギー/固体酸/SOFC/チタン/チタン酸バリウム/原子配列/固体酸化物形燃料電池/耐熱材料/電池/燃料電池/シミュレーション/トラップ/酸化物/電解質/電子顕微鏡/動力学/二酸化炭素/分子動力学/プロトン
2025（令和7）年8月8日
九州大学
山形大学
科学技術振興機構（JST）
発表のポイント
固体酸化物形燃料電池（SOFC）の中温動作（300度）に不可欠な高プロトン伝導性酸化物を開発高いプロトン伝導率を発現するメカニズムを計算機シミュレーションにより解明
SOFCの実用化や大型トラックなどへの多用途化が期待される
SOFCは、高効率かつ高耐久な燃料電池の１つです。水素を燃料とし、発電時に二酸化炭素を排出しない発電デバイスであり、水素エネルギー社会実現に向けた中核技術として注目されています。しかし、発電の動作温度は700～800度と高く、高価な耐熱材料の使用による材料コストが課題となっています。もし300度程度の中温度域で発電できれば、より安価な耐熱材料の使用によるコスト削減が期待されますが、この温度域で十分な性能を持つ電解質材料はこれまで見つかっていませんでした。
九州大学 エネルギー研究教育機構・工学府 材料工学専攻の山崎 仁丈 教授の研究グループは、スズ酸バリウム（BaSnO3）とチタン酸バリウム（BaTiO3）にスカンジウム（Sc）を高濃度で置換することで、SOFCの電解質材料に求められる「プロトン伝導率が0.01 S cm-1（ジーメンスパーセンチメートル）以上」という条件を、300度で達成するプロトン伝導性酸化物の開発に成功しました。さらに、この高いプロトン伝導がなぜ発現したのかを明らかにするために、山形大学の笠松 秀輔 准教授らが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を、九州大学の村上 恭和 教授らが透過型電子顕微鏡による構造観察を行いました。その結果、ScO6八面体が連なった特徴的な原子配列が、結晶内での高速なプロトンの移動を可能にしていることが解明されました。
今回の発見は、プロトン伝導性酸化物が1981年に発見されて以来、その高性能化を阻むプロトントラップ回避方法を初めて提案、実証した点に意義があります。これにより、低コストな中温動作SOFCの実現につながり、SOFCの実用化や多用途化を大きく加速させることが期待されます。
本成果は、英国の雑誌「Nature Materials」に2025年8月8日（金）（日本時間）に掲載されました。
本研究は、JST 革新的GX技術創出事業（GteX）（JPMJGX23H0、JPMJGX23H7）、同 戦略的創造研究推進事業 CREST（JPMJCR18J3）、同 創発的研究支援事業（JPMJFR2037、JPMJFR235X）、同 次世代研究者挑戦的研究プログラム（SPRING）（JPMJSP2136）、および、JSPS 科研費（JP19H05786、JP22H04914）の助成を受けたものです。本研究の一部は、九州大学 エネルギー研究教育機構（Q-PIT）のモジュール研究プログラム、富岳成果創出加速プログラム 材料物理化学課題（JPMXP1020230325）の支援を受けました。また、本研究の計算の一部は、スーパーコンピュータ｢富岳｣（hp230205）および東京大学 物性研究所スーパーコンピュータ共同利用の資源の提供を受け、実施されました。
＜プレスリリース資料＞
本文 PDF（586KB）
＜論文タイトル＞
- “Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks”
- DOI：10.1038/s41563-025-02311-w
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（英文）“Researchers succeed in building a low temperature hydrogen fuel cell, thanks to a scandium superhighway”