研究の概要

固体酸化物形燃料電池（SOFC）や固体電解質型電池は、高いエネルギー変換効率を持つ一方で、従来は600〜800℃以上の高温動作が必要とされてきた。これは起動時間・熱劣化・材料コストの面で普及の障壁となっていた。本研究では、層状ペロブスカイト関連構造であるAurivillius型材料（（Na₀.₅Bi₀.₅）ₙ₋₁TᵢₙO₃ₙ）（Bi₂O₂）を薄膜形状に加工することで、350℃という低温域において「有望な」酸化物イオン伝導性を実現することに成功した。

主な発見・成果

Aurivillius構造は（Bi₂O₂）²⁺層と（ABO₃）ₙ₋₁層が交互に積層したユニークな結晶構造を持ち、（Bi₂O₂）層に沿った「高速イオン伝導チャネル」が形成されることが分かった。薄膜化によってこのチャネルが周期的かつ規則正しく配列されるため、バルク体では得られない低温での高伝導性が発現する。組成（n値）の制御によってイオン伝導率をチューニングできることも示されており、実用デバイス設計への指針となる。この成果は固体酸化物電解セル（SOEC）による水素製造や燃料電池への応用において、動作温度の大幅低下（中温域・intermediate temperature域）を可能にする材料基盤となる。

実務への応用

水電解による再エネ水素製造コストは、電解槽の動作温度と材料耐久性に大きく依存する。本研究が示す「350℃動作の酸化物イオン伝導体」は、高温SOECの材料劣化問題を緩和しながら高効率を維持する可能性を持つ。GX実務者は、中温型固体酸化物電解の技術動向として本成果を把握しておくことが有益であり、将来の水素サプライチェーン構築における設備仕様策定に役立てることができる。