九州大學成功開發出一項可將固體氧化物燃料電池(SOFC)的運作溫度降至300℃的電解質材料。透過此項研究成果,SOFC將無須使用高價的耐熱材料,進而有助於大幅降低成本。
SOFC運作溫度一般高達700℃~800℃,因此必須使用昂貴的耐熱材料。若將其廣泛應用於家庭或車載等領域,就必須將運作溫度降低至300℃以下,以抑制材料成本。在此背景之下,「質子傳導性氧化物」備受矚目,而九州大學開發出的氧化物達成了在300℃運作溫度下0.01 Scm⁻¹以上的質子傳導率,符合作為SOFC 電解質材料的關鍵要求。
此次研究團隊針對錫酸鋇(BaSnO₃)與鈦酸鋇(BaTiO₃)兩種鈣鈦礦型氧化物,分別以70%與80%的極高濃度進行鈧(Sc)取代,並試作出(BaSn0.3Sc0.7O3-δ、BaTi0.2Sc0.8O3-δ)兩種材料。測試結果顯示,其質子傳導率在300℃即達到0.01 Scm⁻¹以上的條件。
此外,九州大學亦就BaSn0.3Sc0.7O3-δ在二氧化碳氣氛中的耐久性進行了評估。在濃度98%的二氧化碳環境中經過398小時後,其結構仍保持鈣鈦礦型氧化物的狀態,證明該材料在燃料電池電解質應用上具有穩定性。
研究團隊對於為何即使添加高濃度的Sc,新材料也不會如同既有質子傳導氧化物般導致質子遷移率下降的理由進行了探討。透過運用機械學習勢能進行分子動力學模擬,追蹤質子擴散的行為;另透過穿透式電子顯微鏡觀察其結構,結果顯示,隨著Sc的高濃度取代,形成了由ScO₆八面體相連的原子排列,質子能沿著此路徑快速移動,進而形成高導電性。