燃料電池の課題を解決するブレークスルー
持続可能な社会の実現に向けて、クリーンなエネルギー源への注目が高まっています。その中でも、水素と酸素から直接電気を生み出す「固体酸化物燃料電池（SOFC）」は、高い発電効率と環境負荷の低さから、次世代の発電システムとして大きな期待が寄せられています。
しかし、これまでのSOFCは700℃以上の高温で動作する必要があり、これが材料の劣化、製造コストの増加、システムの大型化、そして起動・停止の難しさといった課題となっていました。これらの課題が、SOFCの広範な普及を妨げる要因となっていたのです。
このような背景の中、東京理科大学の樋口透教授、森實亮太氏、田淵理久氏、そして東北大学の志賀大亮助教、組頭広志教授らの共同研究グループが、画期的な成果を発表しました。彼らは、200～550℃という「中温域」で動作し、極めて高い酸化物イオン伝導度を示す「a軸配向Sm3+ドープCeO2（SDC）電解質膜」の開発に成功したのです。この技術は、SOFCの低コスト化と用途拡大への道を大きく開くものとして、注目を集めています。
固体酸化物燃料電池（SOFC）とは？その魅力と現状の課題
SOFCは、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電するシステムです。空気極で酸素分子が酸化物イオンとなり、固体電解質を介して燃料極へ移動します。燃料極では、移動してきた酸化物イオンが水素と反応し、電子を放出することで電力を生み出します。このプロセスは、燃焼を伴わないため排ガスがクリーンであり、発電効率が高いという大きなメリットがあります。
また、発電時に発生する熱を同時に利用できる「コージェネレーションシステム（熱電併給システム）」としても実用化されており、エネルギーの総合利用効率を高めることができます。代表的な電解質材料としては、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）や酸化セリウム（IV）（CeO2）などが知られています。
一方で、従来のSOFCが抱える最大の課題は、その高温作動性でした。700℃以上という高温での動作は、以下のような問題を引き起こします。
-
材料の制約と高コスト化： 高温に耐えうる特殊な材料が必要となり、製造コストが高くなります。
-
耐久性の低下： 高温環境下では、材料の劣化や部品の損傷が進みやすくなります。
-
起動・停止の困難さ： システムが安定するまでに時間がかかり、頻繁な起動・停止が難しいという運用上の課題があります。
-
用途の限定： 高温環境が要求されるため、設置場所や利用できる用途が限られていました。
これらの課題を解決し、SOFCの普及を加速させるためには、より低い温度、すなわち「中温域」（200～550℃）で効率的に動作する固体電解質材料の開発が不可欠でした。
研究の核心：中温域で世界最高水準の伝導度を実現したSDC電解質膜
共同研究グループは、この長年の課題に挑み、新規電解質材料として「a軸配向 Sm3+ドープCeO2（Ce0.75Sm0.25O2-δ: SDC）薄膜」に着目しました。SDCは、酸化物イオンを効率的に伝導する性質を持つ材料として知られています。
研究グループは、RFマグネトロンスパッタリング法（交流の高周波電源を利用して、基板上に非常に薄い膜を作製する手法）を用いて、（100）配向イットリア安定化ジルコニア（YSZ）単結晶基板上に、厚さ約20 nmという極めて薄いa軸配向SDC薄膜（SDC/YSZ）を作製しました。この「a軸配向」とは、SDCの結晶が特定の方向に揃っていることを意味し、イオンが移動しやすい構造を作り出す上で重要な役割を果たします。
驚異的な性能データ
作製されたSDC/YSZ薄膜の性能を評価した結果、以下のような驚くべき特性が明らかになりました。
-
極めて低いバルク抵抗： 300℃において、約0.05 kΩ cmという非常に低いバルク抵抗を示しました。これは、従来のAl2O3基板上に作製したSDC薄膜（約65 kΩ cm）と比較して、約3桁も低い値であり、圧倒的なイオン伝導性を示しています。
-
世界最高水準の酸化物イオン伝導率： 200～550℃の中温域において、10-2 S/cmを超える高い酸化物イオン伝導率を実現しました。これは、SOFCの実用化に必要な水準を大きく上回るものです。
-
純粋な酸化物イオン伝導体： イオン輸率（材料中の全伝導率のうち、イオン伝導が占める割合）が0.96に達することが確認されました。これは、電子伝導がほとんど抑制されており、ほぼ純粋に酸化物イオンだけが電気を運ぶ「酸化物イオン伝導体」であることを実証しています。
図1: CeO₂-δ と Ce₀.₇₅Sm₀.₂₅O₁.₈₃ (SDC) の結晶構造
なぜこれほど高性能なのか？3つの重要な要因
このSDC/YSZ薄膜が世界最高水準の性能を発揮する背景には、3つの主要な要因が解明されています。
-
b-c面に形成された大量の酸素空孔（δ = 0.17）による効率的なイオン輸送：
SDC薄膜の結晶構造内には、通常の酸素原子があるべき場所に「空いたスペース」、すなわち「酸素空孔」が大量に存在しています。酸化物イオンは、これらの空孔を隣接するサイトへと飛び移るように移動することで電気を伝導します。空孔が多ければ多いほど、イオンの移動経路が確保され、効率的に電気を運ぶことができるのです。この研究では、25%という高濃度のサマリウム（Sm）置換と、成膜時に基板上で生じる強い還元反応が、大量の酸素空孔生成に寄与したと考えられています。 -
約2.6 eVのエネルギーギャップによる電子伝導の抑制：
この材料は、電子が自由に動きにくい性質（約2.6 eVという広いエネルギーギャップ）を持っています。これにより、電気を運ぶ主要なキャリアが電子ではなく、酸化物イオンであることが保証され、「純粋な酸化物イオン伝導体」としての機能が強化されます。 -
Ce 4f電子間の強いクーロン反発：
セリウム原子の4f電子間に強いクーロン反発（同じ符号の電荷間にはたらく斥力）が働くことで、電子が自由に動きにくくなり、結果として電子伝導が抑制されます。これも、酸化物イオンが主役となって電気を運ぶ上で重要な役割を果たしています。
これらの要因が複合的に作用することで、SDC/YSZ薄膜は中温域において驚異的な酸化物イオン伝導性能を実現しているのです。
研究を支えた高度な分析技術
本研究では、SDC/YSZ薄膜の特性を詳細に解明するために、以下のような高度な分析技術が活用されました。
-
X線吸収分光法（XAS）： X線の吸収を利用して、物質の電子状態や原子の局所的な構造を調べる分析法です。この手法により、薄膜中のサマリウムイオンが3価（Sm3+）であることや、セリウムイオンが4価（Ce4+）と3価（Ce3+）の混合原子価状態であることが明らかになり、酸素欠損量（δ）の推定にも貢献しました。
-
交流インピーダンス測定： 材料に様々な周波数の交流電圧を印加し、その応答電流を測定することで、材料内部の電気的特性（バルク抵抗、粒界抵抗、電極界面抵抗など）をそれぞれ評価できる手法です。これにより、SDC/YSZ薄膜の抵抗率や伝導キャリアの特定が行われました。
-
Cole-Coleプロット： 交流インピーダンス測定の結果を、横軸を抵抗成分、縦軸をリアクタンス成分としてプロットしたグラフです。このグラフを用いることで、材料内部で起こる異なる電気的プロセス（例えば、バルク伝導と電極分極）がそれぞれ半円として現れるため、各現象を詳細に分離・評価することが可能になります。
図2: 本研究で作製したSDC/YSZ薄膜と従来の固体電解質材料の伝導率の比較
図2のグラフは、開発されたSDC/YSZ薄膜が、他の代表的な固体電解質材料と比較して、特に中温域でいかに高い伝導率を示しているかを明確に表しています。これは、本研究の成果がいかに画期的であるかを物語っています。
未来を拓く応用分野：中温作動型SOFCと全固体電気二重層トランジスタ
今回の研究成果は、固体酸化物燃料電池（SOFC）の技術革新に大きく貢献するものです。中温域での高効率な動作が可能になることで、以下のような未来が期待されます。
-
SOFCの低コスト化と普及： 高温に耐える高価な材料の必要性が減り、製造コストが大幅に削減されます。これにより、家庭用、自動車用、ポータブル電源など、より幅広い分野でのSOFCの普及が加速するでしょう。
-
システムの小型化と耐久性向上： 低い動作温度は、システムの小型化を可能にし、材料の劣化を抑制することで耐久性も向上させます。
-
起動・停止の迅速化： 頻繁な起動・停止が容易になるため、より柔軟な運用が可能となります。
さらに、この高性能な電解質材料は、SOFCだけでなく、次世代の電子デバイスである「全固体電気二重層トランジスタ」の電解質としても高いポテンシャルを秘めています。これは、AI技術を支える高性能なAI素子の開発にも繋がる可能性があり、幅広い産業分野への貢献が期待されます。
本研究を主導した東京理科大学の樋口教授は、「典型的な酸化物イオン伝導体であるYSZ基板上に、多量の酸素欠陥を持つSm3+ドープCeO2の配向膜を作製できれば、実用水準の酸化物イオン伝導度を実現できると考え、本研究に至りました。本研究成果により200 ~ 550℃の中温域で動作するSOFCおよびAI素子に適用できる全固体電気二重層トランジスタの電解質材料としての応用が可能です」とコメントしており、実用化への強い期待がうかがえます。
研究論文情報と関連リンク
本研究成果は、2025年12月19日に国際学術誌「Journal of the Physical Society of Japan」にオンライン掲載されました。詳細については、以下の論文をご参照ください。
-
雑誌名： Journal of the Physical Society of Japan
-
論文タイトル： Oxide Superionic Conductivity of a-Axis-Oriented Ce0.75Sm0.25O2-δ Thin Film on Yttria-Stabilized Zirconia Substrate
-
著者： Ryota Morizane, Riku Tabuchi, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira and Tohru Higuchi
研究支援
本研究は、日本学術振興会（JSPS）の科研費（25K01661）の助成を受けて実施されました。また、光電子分光法（PES）およびX線吸収分光法（XAS）による測定は、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 放射光共同利用実験課題（2025G016, 2024S2-003）により実施されたものです。
関連リンク
本研究に関するより詳しい情報は、東京理科大学のウェブページでもご覧いただけます。
この画期的な研究は、クリーンエネルギー技術の発展と、より持続可能な社会の実現に向けて、大きな一歩となることでしょう。
