质子传导性固体电解质材料的开发

随着人类社会活动的加剧，全球变暖所带来的气候异常灾害、生态系统的破坏、健康损害等各种问题日益严重。在作为其主要原因之一的温室气体中，CO₂的影响尤为严重，而CO₂主要是在人类使用化石燃料的过程中排放的。

2015年12月《巴黎协定》通过后，日本松下株式会社制定了到2050年实现CO₂零排放的目标，致力于在生产活动和产品使用过程中削减CO₂的排放量。松下的研究小组正在研发太阳能发电和燃料电池等作为替代化石燃料的发电装置，从而通过创能商品直接削减CO₂排放量。

然而，由于以太阳能发电为代表的可再生能源利用的是自然能源，具有许多不稳定因素，因此在实际的系统设计中，其产生的电能储存在二次电池中，或转换成氢能进行储存，当需要电能的时候再转换成电。当务之急是实现这种以氢为基础的能源管理。

燃料电池是支撑氢能社会的发电设备之一。在燃料电池中，氢和氧经由被称为电解质的离子传导性物质发生化学反应，按照电解质的种类可以对燃料电池进行分类，不同的燃料电池各有优缺点，其中，固体氧化物燃料电池（SOFC: Solid Oxide Fuel Cell）因具有很高的发电效率而备受期待。

根据在电解质中移动离子的种类，SOFC大致分为氧化物离子传导型SOFC和质子传导型SOFC（PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell）（图1）。在SOFC中，燃料极侧会生成水蒸气，导致燃料气体浓度被稀释，因此燃料气体的利用效率会降低；而在PCFC中，水蒸气是在空气极侧生成的，所以燃料不会被稀释，能够以较高的燃料气体利用率持续运行。

另外，PCFC的工作温度比SOFC低，因此具有周边零件选择范围广、通过减少隔热材料的使用量能够降低成本化并节省空间等优点。但是，PCFC还存在一些需要解决的课题，例如，尚未找到最佳的空气极，燃料极中使用的镍与电解质反应导致性能下降以及化学稳定性降低等。PCFC在用于实现氢能社会的国家战略中被定位为重点技术。

在日本经济产业省于2019年9月制定的“氢燃料电池技术开发战略”^[1]中，将固定式SOFC确定为重要技术开发项目。松下的研究小组正在推进在600℃左右的中温区域内兼具高离子导电率和耐久性（化学稳定性）的质子导体材料，以及使用该质子导体材料的发电系统的研发。下面，将阐述通过研发所获得的电解质材料相关技术知识。

图1. SOFC和PCFC的工作原理对比