低い温度で作動する固体酸化物燃料電池のための極薄電解質膜の開発-100°C以下での物理吸着した水による表面プロトン伝導性-

• 東京理科大学
• 高エネルギー加速器研究機構
• 東北大学多元物質科学研究所

概要

東京理科大学理学部応用物理学科の樋口透准教授、物質・材料研究機構の土屋敬志主幹研究員、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の堀場弘司准教授、東北大学多元物質科学研究所の組頭広志教授らの研究グループは、酸素欠陥と結晶格子を制御した Sm-doped CeO_2-δ薄膜（以下：SDC薄膜）をスパッタ法により作製し、表面構造および特異なイオン伝導性を明らかにしました。

近年、クリーンで高効率な固体酸化物燃料電池（以下：SOFC）に使われる、電解質・電極材料の研究が注目されています。しかしながら、SOFCは動作温度が高く用途が限定されているため、低い温度でイオン伝導性を有する固体電解質膜の開発が待望されています。樋口准教授の研究グループでは、希土類を置換することで高い酸素イオン伝導性を有し、かつ酸素欠損の生成により電子伝導性を示すことが知られているCeO₂（酸化セリウム、セリア）の研究を行っています。CeO₂ においては、近年、表面吸着によるプロトンの伝導も示唆されています。つまり、「酸素イオン、電子、プロトン」の三種類のキャリア制御および伝導性が期待され、SOFC の電解質として利用できる材料の1つです。そこで、当研究グループは、CeO₂に対して同じ希土類金属である元素Sm（サマリウム）を化学ドーピングさせたCe_0.9Sm_0.1O_2-δ薄膜を作製し、プロトン伝導特性を実用水準まで引き上げることはできないかと考えました。

その結果、この新規の SDC 薄膜において、物理吸着した水分子による高い表面プロトン伝導性が、100℃以下の低温域で生じることが証明されました。この薄膜は、SOFC の動作温度を低下させることができるため、SOFC の用途の拡大やコストの削減に繋がる材料となり得ます。また、SOFC は将来、原子力・火力発電に替わる発電システムになることが期待されます。

研究成果のポイント

• ◆面方位[111]に優先的に成長させた Sm-doped CeO_2-δ薄膜において、100℃ 以下の低温域で、物理吸着した水による表面プロトン伝導性が生じることを明らかにしました。
• ◆この特異な現象は、Sm-doped CeO_2-δ薄膜の結晶格子や酸素欠陥を制御できたことに起因しており、これまでの固体酸化物燃料電池の動作温度を低下させる極薄電解質膜への応用 が期待されます。