鉄触媒が水素燃料電池を実用化する

水素燃料電池: プラチナ代替としての鉄触媒

水素は理論的には、グリーンな未来に最適な燃料となり得ます: 再生可能エネルギーから生成でき、使用時に汚染物質を排出せず、製造に必要な材料は水だけです。

しかし、低コストで水素を生産することは課題がありました。代替システムとして、同時に淡水を共同生産する方法、貴金属を必要としない新しい水素触媒、または光触媒が検討されています。

水素の商業的実現性を低下させるもう一つの要因は、消費段階にあります。燃焼エンジン（燃料エンジンに似ていますが効率が低い）で使用されない場合、通常は高価なプラチナを触媒として必要とする燃料電池が使用されます。

これにより燃料電池のコストが上がるだけでなく、プラチナやパラジウムなどの希少金属が地球上に非常に少ないため、供給量を大幅に増やすことが困難となり、水素燃料の大量普及が阻害される可能性があります。

幸いなことに、中国の主要研究機関（中国科学院、深圳大学、東南大学、清華大学、北京化工大学、香港城市大学、厦門大学）の科学者たちの研究により、代替触媒が登場しています。

彼らは¹、権威ある学術誌 Nature に「曲面支持体上の単原子Fe触媒による酸性酸素還元」という題名で新しい鉄系触媒の発見を報告しました。

燃料電池の仕組み

燃料電池が水素の消費から電気を生成する部分は、プロトン交換膜（PEM）です。

燃料電池は水素（H₂）をプロトン（H+ イオン）と電子に変換する触媒反応を行い、電流を生み出します。従来、この触媒は高価なプラチナが使用されてきました。

出典: Wikipedia

代わりに、中国の研究者は「内部活性化、外部保護」と呼ばれる新しい触媒設計を開発し、単純な鉄を触媒として利用しています。

鉄系水素触媒

燃料電池における鉄触媒の課題

酸化（一般に「錆」と呼ばれる）を自然に捕捉し、これを水素イオンに結びつけることができる鉄触媒の概念は新しくありません。

しかし、これまで酸素化中間体の強い吸着や鉄原子の脱金属化といった不要な化学反応が障壁となってきました。つまり、鉄原子が酸素リッチな化合物に「くっついて」しまうか、触媒として機能しなくなるかのどちらかです。

これらの不要反応を防ぐため、研究者は鉄触媒用に独自のナノ構造を作り出しました。

中空ナノ構造鉄触媒

従来の鉄触媒はグラフェンや炭素支持体の外部表面に依存しており、鉄が水素との反応に利用できる量が制限されていました。

代わりに、単一原子鉄触媒部位を持つ内部曲面を作成する方法が採用されました。

これらの部位は、ナノ閉鎖された多層空洞構造（HoMS）内に位置しています。このナノ HoMS は 2D 炭素層（グラフェンに類似）に広がり、結合しています。

出典: Research Gate

ナノ空洞粒子は約 10 nm × 4 nm のサイズで、内部層に高密度で鉄原子が集中した複数のシェルから構成されています。シンクロトロン X 線吸収分光法により、これらの内部 Fe 原子の 57.9% が触媒活性状態にあることが明らかになりました。

出典: Research Gate

鉄触媒による性能向上

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このナノ構造は酸素化中間体の結合強度を弱め、鉄系触媒の主要な制限を取り除きます。

出典: Research Gate

また、酸素‑水素反応で常に問題となる非常に反応性の高い分子であるヒドロキシラジカル（•OH）の生成率も低減します。

最終的に、鉄触媒を使用した燃料電池は、ピーク電力密度と電流密度（下図の赤い星）において他の設計をはるかに上回り、1.0 bar H₂‑空気下で 0.75 W cm⁻² という記録的な高出力密度を実現しています。

出典: Research Gate

この触媒設計は、従来の鉄系触媒に比べてはるかに耐久性が高く、300 時間以上の運転後でも効率 86% を維持します。

出典: Research Gate

結論

水素経済は、容易に製造でき、豊富で安価な材料に依存した触媒が実現されたときに初めて可能になります。

その文脈において、地球上で最も大量に生産され、かつ安価な金属の一つである鉄は理想的な候補と言えるでしょう。

さらに、効率の比較的速い劣化（最初の実験設計ではまだ改善の余地があります）が問題になりにくく、燃料電池の触媒部品は定期的に新しいものと交換でき、使用済みはリサイクルまたは元の性能に再生可能です。

燃料電池技術への投資

Plug Power (PLUG ) はグリーン水素のリーダーであり、燃料電池に注力しています。同社は 300 以上の拠点にわたり 72,000 台以上の燃料電池を設置しており、特にマテリアルハンドリング車両のフリートで大きなシェアを持ちます。具体的には、40,000 台以上のフォークリフトに電力を供給し、2013 年以降の売上は 8 倍に伸びています。

また、水素の生産、物流、ユーティリティ規模の発電、配送といった水素インフラの構築にも積極的です。

出典: Plug Power

同社は水素生産コストを $10/kg から $4/kg に削減し、2027 年までに生産規模を 14 倍に拡大することを目指しています。また、外部から調達していた水素をすべて自社生産に置き換える計画も進めています。

2020 年以降、生産能力を 19 倍に拡大するための巨額投資によりまだ黒字化していませんが、自社水素の調達が進めば状況は変わるでしょう。

同社は自社ソリューションを直接的なモビリティ燃料、あるいは電気自動車（EV）への補完として位置付けています。水素は EV のピーク充電時の電力網への負荷を軽減でき、再生可能エネルギーの昼間の生産時間と合致しない問題を緩和します。

出典: Plug Power

燃料電池の大手メーカーとして、Plug Power は水素ベースの経済への転換から大きな恩恵を受けます。より安価な燃料電池触媒が設計に組み込まれれば、水素車両やグリッド規模エネルギー貯蔵の採用率が向上します。

したがって、Plug Power は水素に関する技術革新が進むたびに需要が拡大するため、一般的な水素転換に賭ける優良株と言えるでしょう。

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参照された研究

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. 曲面支持体上の単原子Fe触媒による酸性酸素還元. Nature 644, 668–675 (2025). https&#58//doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}