高性能固体電解質
低温作動・低コストSOFCを目指して
東京工業大学
教授

理学院

やしま

まさとも

八島正知

化学系

2022年11月15日
八島 正知 高性能固体電解質 低温作動・低コストSOFCを目指して

東京工業大学
理学院 化学系

p.1

本説明会の要点• 東京工業大学 八島研究室ではいくつかの新しい高イオン伝導体を発見してきた• 企業側には、この新型イオン伝導体を利用した商品開発を行って欲しい
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p.2

東工大八島研の研究背景と課題• エネルギー・環境問題, CO2と有害物質の削減, カーボンニュートラル
• 世界での経済成長、コロナ、ロシアとウクライナの戦争、円安、原発のリスクと廃棄物→ 原油高等資源価格高騰で日本および企業の経常収支悪化．電力不足• 2015年パリ協定 (2℃目標； 日本：2030年までに2013年比26％の温室効果ガス削減目標)
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/tokushu/ondankashoene/pariskyotei.html

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p.3

東工大八島研の研究背景と課題
エネルギー・環境問題解決の切り札：
クリーンエネルギー、特に高性能固体酸化物形燃料電池SOFC
プロトンセラミック燃料電池PCFCの開発が急務。そのためには高イオン伝導度と高安定性を示す 固体電解質（イオン伝導体） の開発が必要
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SOFC,PCFCと八島研の研究
Solid Oxide Feul Cell SOFC

Proton Ceramic Feul Cell PCFC

SOFC, PCFC

2H2+O2 →2H2OのためCO2 を排出せず、化学エネルギーを直接電気エネ
ルギーに高効率で変換、 核廃棄物も無し
燃料極

空気極

酸化物イオン(O2-)
伝導性固体電解質

図：SOFCの模式図(Coduriら, J. Mater.
Chem. A 2022, 10, 5082より引用 ©RSC)

燃料極

空気極

プロトン(H+)伝導性固体電解質

八島研で高イオン伝導体①～⑥を発見
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従来技術とその問題点
既に実用化されているSOFCでは固体電解質としてイットリア安定化ジルコニアYSZ等が利用されている。しかし、(1) 300～600℃の中低温で酸化物イオンO2-伝導度が低い。そのため(2) 動作温度が700～1000℃と高く、利用できる材料が限定され、劣化もあり、高価である等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
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p.6

従来技術とその問題点

そこで様々なイオン伝導体が開発されてきた。
しかし、蛍石型やペロブスカイト型など特定の結晶構造のイオン伝導体を改良する研究が殆どである。
高イオン伝導は特定の結晶構造で発現するので、新しい結晶構造のイオン伝導体の探索は重要かつ挑戦的である。よって、高イオン伝導度と高い安定性を併せ持つ新構造型のイオン伝導体の発見と材料設計法が望まれている。
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p.7

新技術の特徴･従来技術との比較
従来技術： 試行錯誤や偶然による発見
新技術： 構造に基づいた新設計法・新戦略
1. 戦略１：結晶構造データベースICSD(約26万件)を結合原子価法でスクリーニング→①,②
2. 戦略２：本質的な酸素空孔層→①,②,④～⑥
3. 戦略３：複合アニオン化合物→③4. 戦略４：構造マップで未踏領域を探索→④,⑤
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新技術その１

新しい酸化物イオン-プロト
ン伝導体 ①Ba7-αNb4-x-yMo1+xMyO20+z
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新技術の特徴･従来技術との比較
既存技術の組成 Ba7Nb4MoO20, Ba3NbMoO8.5など発見した新材料① Ba7-αNb4-x-yMo1+xMyO20+zの組成：

1) Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05, Ba7Nb3.95Mo1.05O20.025
2) Ba7Nb4-xMoWxO20+x/2 (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2,0.25)
3) Ba7Nb4-xMoCrxO20+x/2 (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2,0.25)
1) Yashima* et al., Nature Comm. 12, 556 (2021). Editor’s Highlight2) Suzuki, Yashima* et al., Inorg. Chem. 61, 7537 (2022) .
3) Sakuda, Hester, Yashima*, J. Ceram. Soc. Jpn. 130, 442 (2022).
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新材料①

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p.10

新技術の特徴･従来技術との比較• Ba7-αNb3-x-yMo1+xMyO20+z①を発見した（戦略１, ２）。
• 従来技術の問題点であった、中低温で伝導度を高くすることに成功した。
8YSZ
64倍 • SOFC材料はセラミックスにBa3MoNbO8.5限られていたが、金属材料の六方ペロブス利用が可能になり、SOFCのカイト関連物質
約1300倍動作温度の低温化でより製
Palmierite＋9R
Hybrid
造・維持の低コスト化が期待される発見した新材料
Ba7Nb3.9Mo1.1O20.05

新材料①
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p.11

新技術の特徴･従来技術との比較発見した① Ba7-αNb3-x-yMo1+xMyO20+zのバルク伝導度を、中低温で高くすることに成功。
新材料①
300℃付近では酸化ビスマス固溶体より高い伝導度。
SOFC材料はセラミックスに限られていたが、金属材料の利用が可能になり、SOFCの動作温度の低温化により製造・維持の低コスト化が期待される

Yashima*, et al., Nature Comm. 12, 556 (2021) Editor’s Highlight© NPG
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p.12

新技術の特徴･従来技術との比較発見した① Ba7-αNb3-x-yMo1+xMyO20+zは高い酸素輸と極めて高い化学的・電気的安定性を示す。
本技術を適用した製品の高耐久性により維持の低コスト化を期待
Yashima*, et al., Nature Comm. 12, 556 (2021) Editor’s Highlight© NPG
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新材料①
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p.13

新技術その２

新しいイオン伝導体②および③

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p.14

新技術の特徴･従来技術との比較

新材料②、③• 新しい高イオン伝導体②,③を発見した。
• 従来技術の問題点であった、中低温で伝導度を高くすることに成功した。
• SOFC材料はセラミックスに限られていたが、金属材料の利用が可能になり、SOFCの動作温度の低温化により製造・維持の低コスト化が期待される

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p.15

新技術の特徴･従来技術との比較発見した新材料②（戦略1, 2）と③(戦略3)は極めて広い電解質領域と大変高い化学的・電気的安定性を示す。本
技術を適用した製品の高耐久性により維持の低コスト化を期待新材料③新材料②新材料②、③
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新技術その３

新しい高プロトン伝導体④ Ba2LuAlO5⑤ 関連物質⑥ Ba5Er2Al2ZrO13
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p.17

新技術の特徴･従来技術との比較⑥• 新しい高プロトン伝導体④ Ba2LuAlO5, ⑤と⑥Ba5Er2Al2ZrO13を発見した。戦略1, 2, 4
• 従来技術の問題点であった、中低温で伝導度を高くすることに成功した。
• PCFCの動作温度の低温化により製造・維持の低コスト化が期待される⑥ Murakami, Hester, Yashima, JACS 142, 11653 (2020).
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新材料④～⑥
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p.18

想定される用途• 本技術①～⑥の特徴を生かすためには、SOFCとPCFCの電解質に適用することでSOFCとPCFC動作温度の低温化のメリットが大きいと考えられる。
• 上記以外に、SOEC, センサー, 触媒,酸素ポンプ，水素ポンプ，電池としての利用も期待される。
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実用化に向けた課題• 現在、 ①Ba7-αNb3-x-yMo1+xMyO20+zについて大量生産が可能なところまで開発済み。しかし、• ①～⑥について高性能SOFC, PCFC ,センサー, 触媒, 酸素ポンプ, 電池の開発が未解決である。この解決には、• 電極材料やセル構造の最適化が必要である。
• 実用化に向けて、発電効率を向上する技術や各種用途に向けた技術を確立する必要がある。
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p.20

企業への期待新材料①～⑥を用いた、• SOFC, PCFCのセル開発・製造の技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• 電極材料の開発、セル構造の開発を特に希望。
• 中低温で作動するメリットを活かせるデバイスを開発する企業との連携を希望。
• SOFC, PCFCやSOECを開発中の企業、センサー、触媒、電池分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権１

新材料①、⑥• 発明の名称：固体電解質、電解質層および電池• 出願番号 ：特願2020-567722• 公開番号 ：WO2020/153485 US，EP，CN，JPに国内移行済み• 出願人：東京工業大学• 発明者 ：八島正知、辻口峰之、藤井孝太郎、丹羽栄貴、作田祐一、村上泰斗、安井雄太、菊地優冴、鈴木雄貴
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本技術に関する知的財産権２
新材料② 、④、⑤• 発明の名称 ：固体電解質、電解質層、電池及び固体電解質の製造方法• 出願番号 ：特願2022-033668• 出願人：東京工業大学• 発明者 ：八島正知、村上泰斗、藤井孝太郎、城島一暁、森川里穂、安井雄太
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本技術に関する知的財産権３
新材料③• 発明の名称 ：電気伝導体、固体電解質、電解質層および電池• 出願番号 ：特願2021-205544• 出願人：東京工業大学• 発明者：八島正知、矢口寛、藤井孝太郎

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産学連携の経歴• 2014年
A社と特許を2件共同出願・取得• 2019年-2020年 JST A-STEP事業(トライアウト)に採択• 2019年B社と共同研究実施• 2021年C社と共同研究実施• 2022年
C社と特許を共同出願• 2022年JST A-STEP事業(産学共同(育成型))に採択
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お問い合わせ先
東京工業大学
研究・産学連携本部
ＴＥＬ ０３－５７３４ － ２４４５
ＦＡＸ ０３－５７３４ － ２４８２
e-mail sangaku＠sangaku.titech.ac.jp
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