Grafeenisuojatut vetypolttokennot tehostavat kuorma-autojen tehokkuutta

UCLA:n ja Kalifornian yliopiston Irvinen kampuksen tutkijat kehittivät vetypolttokennolle platinakatalyytin, jossa pienet grafeenitaskut suojaavat metallihiukkasia. Nopeutetussa 90 000 jännitesyklin kokeessa tehon menetys jäi alle 1,1 prosentin. Yli 200 000 tunnin käyttöikä on kokeisiin perustuva ennuste, ei kuorma-autolla jo saavutettu käyttöaika.

Vety ja raskas liikenne

Polttokenno muuntaa vedyn kemiallista energiaa sähköksi. Ajoneuvon käytön aikana reaktion sivutuotteena syntyy vettä. Pitkät ajomatkat, kuormat ja tankkausaika voivat tehdä vedystä kiinnostavan vaihtoehdon joillakin kuorma-autoreiteillä. Myös akkusähköiset kuorma-autot voivat soveltua moniin tehtäviin. Sopiva ratkaisu riippuu reitistä, hinnasta, lataus- ja tankkausverkosta sekä vedyn saatavuudesta. Vedyn valmistus ja kuljetus vaikuttavat sen koko elinkaaren päästöihin.

Miksi katalyytin kestävyys on tärkeää?

Protoninvaihtokalvoa käyttävä polttokenno tarvitsee katalyytin, jotta reaktiot toimivat riittävän nopeasti. Platina ja sen seokset voivat menettää aktiivisuutta toistuvissa jännitevaihteluissa. Yhdysvaltain energiaministeriön raskaan liikenteen pitkän aikavälin tavoite oli 30 000 tuntia kokonaiselle polttokennojärjestelmälle. Yhden katalyytin laskennallista kestoa ei voi rinnastaa koko järjestelmän elinikään.

Grafeenitaskuissa oleva platina

Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa erittäin pienet puhtaan platinan hiukkaset sijoitettiin grafeenitaskuihin huokoisen Ketjenblack-hiilen tueksi. Rakenne pyrkii estämään hiukkasten siirtymistä ja kasautumista mutta säilyttämään niiden pinnan reaktioiden käytössä. Tutkimuksessa ei korvattu platinaa kokonaan eikä rakennettu valmista kaupallista kuorma-autoa.

Lähde: Huangin tutkimusryhmä, UCLA

Mitatut tulokset ja arvioitu käyttöikä

UCLA:n mukaan koekennon tehotiheys oli noin 1,08 W/cm² ja huippuhyötysuhde 71,9 prosenttia. Nopeutetun 90 000 nelikulmaisen jännitesyklin jälkeen tehon menetys oli alle 1,1 prosenttia. Näiden tulosten perusteella tutkijat arvioivat käyttöiän voivan ylittää 200 000 tuntia. Kennoa ei käytetty 200 000 tunnin ajan maantieliikenteessä, eikä vetyvaraston tai muiden ajoneuvon osien kestoa osoitettu samaksi.

Teknologiasta on jätetty patenttihakemus. Ennen käyttöönoton ajankohdan arviointia tarvitaan täysikokoisen järjestelmän, valmistuksen ja kustannusten tutkimusta. Aiemman artikkelin väitteet varmuudella 5–10 vuodessa alkavasta myynnistä ja väistämättä halvemmasta vetyasemaverkosta eivät perustu tähän tutkimukseen.

Mahdolliset sovellukset ja ympäristövaikutus

Pitkän matkan kuljetukset, työkoneet ja paikallaan olevat generaattorit ovat mahdollisia käyttökohteita. Jokainen niistä vaatii oman teknisen arvioinnin. Ajoneuvon vesipäästöt eivät tarkoita, että vedyn koko tuotantoketju olisi päästötön. Tuotantotapa, jakelu, hinta ja varastoinnin turvallisuus ratkaisevat paljon.

Linde ja vetymarkkina

Linde (LIN ) valmistaa ja toimittaa teollisuuskaasuja, myös vetyä. Yhtiö ei ollut tämän katalyyttitutkimuksen tekijä tai ilmoitettu kumppani. Yliopistotulos ei siten osoita suoraa vaikutusta Linden liikevaihtoon tai osakkeeseen; aiemman tekstin hetkelliset osake- ja markkinaluvut on poistettu.

Linden uutiset

Yhteenveto

Grafeenitaskuilla suojattu katalyytti osoitti lupaavaa kestävyyttä nopeutetuissa kokeissa. Sen poikkeuksellinen elinikä on edelleen laboratorioarvio. Merkitys kuorma-autoille riippuu tulevista järjestelmä- ja käyttötesteistä sekä vedyn koko toimitusketjusta.

Tutkimus ja lähteet

Z. Liu ym., “Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications”, Nature Nanotechnology 20, 807–814 (2025); UCLA, 25.4.2025.