非貴金属触媒が手頃な水素への道を切り開く

世界が化石燃料から脱却し、地球温暖化危機の緩和に取り組む中、水素は『未来の燃料』として注目を集めている。

これは、水の豊富さ、エネルギー収率の高さ、副産物が水だけであること、そして温室効果ガス（GHG）排出が最小限またはゼロであることなど、さまざまな理由によります。これらの特性により、クリーン水素は輸送、発電、暖房、そして鉄鋼、化学、セメントなどの産業といった幅広い用途で利用可能です。

水素は社会の脱炭素化に大きな可能性を示す一方で、現在生産されているH2の大部分は化石燃料（メタン）から得られており、かなりのCO2排出につながっています。したがって、グリーンでクリーンな水素を大量に生産できる代替手段が求められています。

その結果、現在の研究は効率的で環境に優しい水素燃料の製造方法の探索に焦点を当てています。

HER: グリーン水素生産の有望な道筋

水の電気分解は、グリーン水素を製造する有望なアプローチの一つで、注目を集めています。

水の電気分解で水素を生成する際に起こる重要な反応は、水素発生反応（HER）であり、電気化学の基本的なプロセスです。

水の電気分解とは、電気を用いて水を酸素（O2）と水素（H2）ガスに分解することで、大規模に水素燃料を効率的かつクリーンに製造する方法です。

小さなオーム損失（電荷が媒体を流れる際に熱として失われるポテンシャルエネルギー）、高い電流密度、低いガスクロスオーバー率という特性のおかげで、実験室規模のHERプロセスを商用のプロトン交換膜（PEM）水電解装置に拡張することは、グリーン水素への持続可能なルートを提供します。

PEM電解では、電気と固体高分子電解質を使用して水を分割することで水素が生成されます。このプロセスでは、まず電気を加えて水分子を水素イオン（プロトン）、電子、酸素に分解します。プロトンはアノードとカソードを分離するプロトン導電性高分子膜を通って移動し、電子は外部回路を流れます。

アノードでは水分子が酸化され、酸素、プロトン、電子が生成されます。カソードでは、プロトンと電子が結合して水素ガスが生成されます。

この方法は、燃料電池用水素の製造だけでなく、肥料製造、石油精製、石油化学などのさまざまな産業プロセスでも利用されています。

しかし、強い還元性酸性電解質と触媒の界面といった過酷な作業条件が問題となります。この環境下では、商用PEM電解装置は高い活性を維持するためにプラチナ（Pt）カソードを使用せざるを得ず、プラチナは希少で高価です。

過酷な条件により、非貴金属ベースのカソードはプロトン交換膜（PEM）電解装置に適さなくなります。

テラワット規模でのPEMの実用化には、貴金属に代わる安価な触媒が必要です。そのような非貴金属ベースのカソードの探索は進行中ですが、依然として課題が残っています。

ここで、遷移金属リン化物（TMP）はHER触媒として有望であることが示されていますが、貴金属の代替として使用する段階はまだ初期段階です。その主な理由は、過酷な作業条件下での耐性や水素生成プロセス中の活性部位の回転を監視する理解が不足していることです。

表面再構築戦略が手頃な水素燃料を生産

最近、CoPナノ粒子をカソードとして使用することが、産業用PEM水電解装置に容易に統合できることが報告され、商業的応用の可能性が示されています。

しかし、課題は、ラボ実験から大規模商業生産へHER反応をスケールアップしつつコストを抑えることでしたが、最新の研究でそれが実現されました。

2025年4月にAdvanced Energy Materials¹に掲載された研究によると、東北大学の研究チームは、ラボ規模（0.2 cm²）から商用PEM電解装置（38 cm²）へとCoP|Fカソード（F修飾CoP）の使用を拡張したことを実証しました。

優れたHER性能を追求する中で、研究者は表面再構築経路が長寿命の非貴金属ベースカソードを生成し、HERを改善できることを発見しました。

これらのカソードは300時間以上性能を維持できます。さらに、チームが算出したコストは、米国エネルギー省が設定した2026年の水素生産目標である1kgあたり2.00ドルに非常に近いものでした。

本来遅く非効率的なHER反応を加速させるため、チームはTMPに注目しました。遷移金属リン化物はコスト効果が高く耐久性のある非貴金属で、独自の電子構造と高い触媒活性を持ち、HERの効率を向上させる有望な触媒です。

この目的には通常貴金属が使用されますが、研究者は非貴金属に関する知識ギャップが埋められる必要があると考えています。

非貴金属触媒とは、貴金属に比べてコスト効果が高く豊富に入手できる代替材料を指します。これらの非貴金属触媒は反応性を調整可能で、必要に応じて安定性、選択性、活性を向上させるように改良できます。

そこで、チームはF修飾CoPを調製し、オペランドX線吸収分光法（XAS）とラマン測定を用いて、表面再構築や実際の活性部位などの特性を評価しました。

結果は、フッ素をCoP1‑x格子に添加することでCo‑P結合の切断が促進され、非晶質金属Coの再構築が起こることを確認しました。表面にリン（P）空孔部位が形成され、より多くの活性部位が生まれ、HERが加速されます。

再構築された表面は、還元性酸性電解質‑触媒界面で高い活性と耐性を示します。特に、商用PEM電解装置のカソードとして使用した場合、CoP|Fカソードの性能は先進的なPt/C触媒に匹敵し、コストはわずか1kgあたり2.17ドルです。

「この再構築されたCoは高い活性を持ち、酸性条件下でも動作し、300時間以上にわたり約76Wを維持できます」と、先端材料研究所（WPI‑AIMR）の助教である劉恒氏は述べました。「我々は、現在の2026年目標をわずか17セント上回るだけの、手頃な燃料製造方法に近づいています」

このような顕著な結果により、研究者は商用PEM電解装置向けに、非常に効率的でコスト削減かつ耐久性のある非貴金属ベースのカソードへの表面再構築ルートを提供したいと考えています。

さらに重要なのは、この装置が三電極のラボ規模だけでなく、実際に商用規模へと拡張されたことです。この合理的な新規カソード設計は、他の非貴金属ベースカソードの基礎となり得るもので、研究は実験室から工場へのギャップを埋める可能性があります。

「我々は常に最終目標、すなわち研究成果を日常生活に活かすことを考えています。この進展は、商用PEM応用向けにより現実的な選択肢を設計する一歩近づきました。」

– 劉

クリーン水素生産の進展

水素が有望なクリーンかつ再生可能エネルギー源として浮上する中、商業規模の需要に応える効率的な水素生産に多くの関心が集まっており、特に電力駆動の水分解への関心が高まっています。

水の電気分解は二つの反応に分かれます：水素発生反応（HER）ではカソードで水が還元され水素が生成され、酸素発生反応（OER）ではアノードで水が酸化され酸素（O2）が生成されます。いずれの場合も触媒が重要な役割を果たし、H2とO2を効率的に生成する高性能触媒が必要です。

今月、AIMRの東北大学の別の研究で、研究者は新しい触媒フレームワークを提案し、水の電気分解による低コスト水素製造の潜在的アプローチを示しました。ただし、今回の焦点はOERにありました。

この材料は、2〜50nmの細孔径を持つメソポーラスな単結晶Co3O4（コバルト(II, III)酸化物）に原子レベルで分散したイリジウム（Ir）をドーピングしたもので、酸性OER向けに設計されています。

OER性能で知られるIrは希少で高価です。また、安定性を保ちつつイリジウムを効率的に使用することは、技術のスケールアップにおいて課題となります。したがって、本研究は原子レベルの効率を最大化する材料で解決策を提示します。

メソポーラススピネル構造を有するこの触媒は、大きなイリジウムクラスターを形成せずに高いIr負荷（13.8 wt%）を実現し、Co‑Irブリッジ部位を形成できます。酸性OER条件下で、これらの部位は高い固有活性を示しました。

この分析のために、研究は実験データと計算モデリングを組み合わせ、酸素中間体（O*）がCo3O4表面を完全に覆うことを示唆しました。これにより通常はCo部位がパッシベートされますが、Irドーピングは部位を再活性化し、同時に触媒の構造的完全性を向上させます。

本研究では、IrとCoの損失をそれぞれ約4分の1、5分の1に低減させました。さらに、触媒は100時間以上性能を維持しました。

「メソポーラス構造は重要な役割を果たします。単原子Irのロードスペースを提供し、触媒活性の安定した環境を作り出すのに役立ちます。」

– 研究リーダーの李浩教授

今後の研究は、ドーピングレベルの調整、プロセスのスケールアップ、そして商用電解装置システムへの統合に焦点を当てます。

別の研究では、経済的なイリジウム触媒を検討し、輸送用水素需要を満たすためには、プロトン交換膜水電解（PEM‑WE）で使用されるイリジウムベースのアノード材料が0.05 mgIr/cm²未満である必要があると指摘しました。しかし、現在市場に出回っている最高の触媒はイリジウム酸化物で、約40倍の量が使用されています。

幸いなことに、これらの解決策はすでに開発中です。ヘレウス・グループのKopernikus P2Xプロジェクトは、薄層のイリジウム酸化物（IrO2）をナノスケールの二酸化チタン（TiO₂）サポート上に形成した、新しい高効率イリジウム系ナノ触媒を創出しています。

P2X触媒は長期運転でも顕著な安定性を示し、より結晶性のベンチマークよりも優れた性能を発揮します。

水素製造をコスト効果的、スケーラブル、環境に優しいものにするためのさまざまな技術に取り組むほか、世界中の研究者は効率的な貯蔵方法も模索しており、クリーン水素の実用化を後押ししています。

今年初め、米国エネルギー省の支援を受けた科学者チームは、揮発性水素を貯蔵・放出する新しい方法を実証しました。これは、水素を燃料源として使用する際の主要課題である、低密度と爆発性による高コスト・低効率な貯蔵・輸送問題に対処するものです。

研究者は、リグニンベースのジェット燃料を開発し、化学的に水素を安定した液体形態で結合させました。ワシントン州立大学の楊斌教授によれば、「この技術は、持続可能な航空燃料という扱いやすい形で高密度水素貯蔵を実現し、圧縮タンクが不要になる」ことができると述べています。

新しいプロセスは、実験的に開発されたリグニンジェット燃料から芳香族炭素と水素を生成する化学反応を利用しました。リグニンは植物に含まれる天然高分子で、地球上で2番目に豊富な材料です。

次のステップでは、研究者はAI駆動の触媒を設計し、反応をより効率的かつコスト効果的に改善する予定です。

革新的な企業

Cummins Inc (CMI )

グローバルな電力ソリューションプロバイダーであるCummins Inc.は、エンジン、コンポーネント、流通、パワーシステム、Acceleraなどの複数のセグメントで事業を展開しています。

同社は持続可能な未来構築のために水素エンジン技術の探索と活用を積極的に行っています。Cumminsは2019年に水素燃料電池と電解装置のメーカーであるHydrogenicsを買収し、水素経済に参入しました。その後、継続的に進展しています。

これには15リットル水素ICEおよび15リットル天然ガスエンジンの発売が含まれます。Cumminsのポートフォリオには水素貯蔵ソリューションや燃料電池技術の開発も含まれています。

数年前、Acceleraはミネソタ州で電解装置の生産を開始し、米国初の電解装置生産拠点となりました。

「グリーン水素を生産する大規模電解は、輸送と産業の脱炭素化における重要な要素です。」

– 当時のAccelera社長 Amy Davis

2025年3月、Cumminsは北米水素エンジンアライアンス（H2EA‑NA）の創設メンバーとなり、学術、政府、輸送業界の専門家が結集して水素内燃エンジン（H2‑ICE）とその海洋エンジン、オンロード・オフロード車両・機器への応用を推進するイニシアチブです。

同社の市場パフォーマンスについて、Cumminsの株価は20年以上にわたり強い上昇トレンドを示しています。この過程では下落もあり、投資家にとって買い機会となりました。今年度の約16％の下落も同様に捉えることができます。

執筆時点でCMI株は$294.16で取引されており、Cumminsの時価総額は$40.38億です。これにより、EPS（TTM）は28.17、P/E（TTM）は10.41、ROE（TTM）は41.27%となります。興味深いことに、Cumminsは2.48%の配当利回りも提供しており、投資機会として魅力的です。

財務面では、2024年は「変革的」と称され、重要な進展と「記録的な成果」を達成した年で、売上高は$34.1億で横ばいでした。

これは、北米での売上が1%増加した一方で大型トラックの需要が減少し、国際売上が前年比1%減少した結果です。その要因の一つは、Atmus Filtration Technologies (ATMU )が昨年 (CMI )から分離し、完全に独立した企業となったことです。さらに、Acceleraは組織再編を行い、運営の合理化と投資の集中に伴う費用が発生しました。

Cumminsの2024年度通期純利益は$3.9億で、希薄化株式1株当たり$28.37で、Atmusの分離に伴う利益増加により大幅に増加しました。

今年度、Cumminsは北米で「やや弱い」需要が予想されるため、売上高が2%減少から3%増加の範囲になると予測しています。それでも、同社は営業キャッシュフローの50%を株主に還元するという長期的な戦略目標へのコミットメントを共有しました。

2024年、Cumminsは15年連続で普通株式の現金配当を増額し、配当を通じて株主に$969百万を還元しました。

同社が昨年行ったその他の取り組みとして、Cummins HELM（Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels）エンジンプラットフォームの導入があり、B、X10、X15シリーズのエンジンポートフォリオ全体に実装されました。また、日本の自動車メーカーいすゞ向けに新しい中型トラック用エンジンも発売されました。

さらに、Accelera、EVE Energy、Daimler Trucks & Buses、PACCAR (PCAR ) は、米国でバッテリーセル生産とサプライチェーンをローカライズするための合弁事業Amplify Cell Technologiesを設立しました。Amplifyはすでに21 GWh規模の工場建設を開始しており、2027年に生産を開始する予定です。

Cummins Inc.の最新情報

結論

化石燃料の有望な代替手段はクリーン水素です。この重要な要素は、エネルギー密度が高く、排出物が無汚染で、さまざまなセクターで多用途であるため、グローバルな脱炭素化戦略に不可欠であり、コスト効果の高い水素製造方法の開発が重要です。

PEM電解は、世界のエネルギー転換を促進できるアプローチの一つです。東北大学の研究者は、高価なプラチナ触媒を表面工学的に設計された非貴金属代替品に置き換え、クリーン水素を商業的に実用化する重要なステップを示しました。

そのコストメリットは米国DOEの目標に近く、実際のPEM電解装置でCoP|Fカソードをスケールアップしたことで、クリーン水素を世界的なエネルギー需要に対応する大量市場向けソリューションとして解放できる可能性が示されました！

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参照文献：

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Surface reconstruction activates non-noble metal cathode for proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846