Levná vodíková auta? Díky českému nápadu

Pohybuje se neslyšně a z výfuku mu stoupá pouze vodní pára. Jinak se vodíkové auto téměř neliší od běžných vozů, takže vypadá jako oživlý sen o ekologické dopravě. Díky němu bychom si mohli užívat čistý vzduch v ulicích měst. Promění se však tenhle sen v realitu? Začnou se vodíková auta využívat ve velkém?

Zatím to vypadá nadějně. K rozjezdu průmyslové výroby ekologických vozů s velkou pravděpodobností přispěje i objev Čecha Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Jeho tým přišel s revolučním vylepšením palivového článku. Český nápad může snížit výrobní náklady vodíkových aut zatím na polovinu, při výrobě ve velkém pak bude cena zřejmě dál klesat. Podobně jako se to stalo třeba u mobilů. Jen palivový článek může brzy zlevnit z 1,2 milionu na 250 tisíc korun.

Profesor Matolín si nechal objev patentovat v několika zemích a nyní s kolegy rozjíždí testování dlouhodobé odolnosti palivových článků. "Ostatně první otázka, kterou dostávám od potenciálních výrobců, zní: Jak dlouho to vydrží?" říká Matolín.

Rozvoj brzdí drahá platina

Vodíková auta prodražuje především vysoká cena palivových článků, které přeměňují vodík na elektrickou energii pro pohon motoru. "Palivové články pro jeden vůz stojí v přepočtu více než 1,2 milionu korun. Asi 35 až 45 procent z této částky připadá na membránové elektrody," vysvětluje Roland Zsilinszky, výkonný ředitel pražské pobočky konzultační společnosti Roland Berger, který se specializuje na poradenství v oblasti ekologických způsobů dopravy. Elektrody v palivovém článku totiž pokrývá poměrně silná vrstva platiny.

Většímu rozšíření vodíkových aut tak brání právě vysoká cena tohoto vzácného kovu, která vodíková auta dost prodražuje. Pokud by se navíc ekologické vozy měly masověji rozšířit, světové zásoby platiny by zřejmě nestačily. "Dostupnost platiny je velmi limitována. Koncentruje se na Jihoafrickou republiku a Rusko. Proto je cenový vývoj i objem nabídky platiny značně nejistý," upozorňuje na další problém Zsilinszky.

Popsanou "matematiku" zásadně mění právě nápad Vladimíra Matolína. Vymyslel, jak platinu v katalyzátoru palivového článku nahradit levnější alternativou. Inspiroval se v Japonsku. "Manželka získala prestižní stáž v Národním ústavu materiálového výzkumu v japonské Cukubě a já tam odjel na osm měsíců s ní jako hostující vědec," vzpomíná.

Japonští vědci navrhli využít v katalyzátorech místo platiny oxid ceru, který byl pouze obohacený malým množstvím tohoto vzácného kovu. Potřebné nanomateriály vyráběli chemickou cestou. "Když jsme se vrátili do Česka, přemýšleli jsme, jak jejich postup vylepšit. Protože jsme fyzici, rozhodli jsme se nahradit chemické, mokré procesy fyzikálními. Ukázalo se, že za určitých podmínek lze takto připravit velice porézní a aktivní vrstvy," popisuje zrod geniálního nápadu Vladimír Matolín. Čeští vědci použili metodu, která se běžně používá třeba pro úpravu okenních skel, aby nepropouštěla teplo. Na elektrodách se tak spotřebuje tisíckrát méně platiny než dosud. Její množství se v podstatě blíží nule. Už získali český, japonský, americký, korejský, čínský a také euroasijský patent, který platí v oblasti bývalého SSSR. "Nyní běží schvalování indického a evropského patentu," popisuje úspěchy Vladimír Matolín.

Češi spouštějí dlouhodobé testy

Profesor Matolín výrazně uspěl i v soutěži o peníze na výzkum. Stal se koordinátorem evropského projektu s celkovým rozpočtem 100 milionů korun. V jeho rámci bude společně s vědci z dalších čtyř zemí svůj nápad rozpracovávat.

Jedna věc je, že katalyzátor s oxidem ceru funguje, druhá, jakou bude mít životnost. "Už nás oslovili investoři. Zatím ale jejich nadšení spíše brzdíme. Náš aktivní materiál se sice chová dobře, ale potřebujeme mít odzkoušené, že vydrží dlouho," vysvětluje Vladimír Matolín. Nyní proto na fakultě rozšiřují počet testovacích stanic z jedné na pět. "Věřím, že to zvládneme během dvou nebo tří měsíců. Pak budeme moci zkoumat nové složení katalyzátorů a u těch perspektivních zároveň provádět dlouhodobé testy," říká Matolín s tím, že půjde seriózněji odhadnout možnosti praktického využití katalyzátorů.

Naštěstí vědci nemusejí palivový článek udržovat tři roky v chodu, aby ověřili, že zvládne takovou dobu bez problémů fungovat. "Existují různé postupy, jak simulovat dlouhodobou zátěž," říká Matolín.

Při testech pomáhá i pražská firma LET Optomechanika, která se zabývá výrobou kalibračních pomůcek a příslušenství k mikroskopům. "Postavíme větší zařízení schopné vytvořit nanovrstvu oxidu ceru s platinou," popisuje jednatel společnosti Tomáš Fejt s tím, že se budou snažit celý proces dále optimalizovat. Nyní čeští vědci jednají i s technologickou firmou HVM Plasma, která by byla schopná zajistit případnou průmyslovou výrobu.

Profesor Matolín chce vytvořit v rámci konsorcia také jakousi referenční laboratoř. "Palivové články v ní budeme hodnotit i podle protokolů převzatých od jiných výrobců," plánuje Matolín.

Možností, kam nasměrovat výzkum, je však více. V katalyzátoru jsou dvě elektrody - katoda a anoda. Platina se používá na obou. Češi zatím vymysleli, jak snížit obsah tohoto drahého kovu na anodě. Nyní se tým profesora Matolína vrhl na katodu a první výsledky jsou nadějné. "Chystá se nový evropský projekt a vědci z Itálie nás přizvali do svého konsorcia. Půjde o nahrazení platinových katalyzátorů chemicky modifikovaným grafenem, revolučním materiálem, za který byla nedávno udělena Nobelova cena," říká Vladimír Matolín.

Vodíku fandí i Saúdská Arábie

Pokud Češi v dlouhodobých testech uspějí, zřejmě se opravdu dočkáme většího rozmachu vodíkových aut. Po nahrazení platiny oxidem ceru může cena palivového článku klesnout na polovinu. "Pak se do výroby pustí více firem a zlevní i další technologie," myslí si Vladimír Matolín. Dnes se palivové články dělají v malých sériích, v případě velkovýroby však klesne i cena těsnění, rozvodů a dalšího příslušenství. Ukázkovým příkladem takového vývoje jsou třeba počítače nebo mobily.

"Kdyby bylo možné snížit potřebné množství platiny a optimalizovat výrobu, dojde k většímu rozšíření vodíkových aut," myslí si Roland Zsilinszky z konzultační společnosti Roland Berger. Firma propočítala, že by se při poklesu množství platiny pod 10 gramů na jedno vozidlo, což je podle českých vědců v laboratoři dosažitelné, cena palivového článku snížila až na 250 tisíc korun. A to už je v porovnání s 1,2 milionu pořádný skok. "Za takových podmínek by vodíková auta mohla tvořit pět procent globálního trhu," sděluje Roland Zsilinszky.

Jsou ale vodíková auta bezpečná? Hodně lidí o tom pochybuje. "Testy ukazují, že když se dodrží předepsaný tlak, teplota a další parametry, je jízda na vodík bezpečnější než na benzin. Vodík je lehčí než vzduch, takže jakmile prorazíte nádrž, unikne dříve, než stačí vybouchnout," říká Martin Fišer, ředitel českého zastoupení firmy United Hydrogen vyrábějící vodík.

Zatím ale chybějí vodíkové čerpací stanice. "Infrastruktura pro benzinová auta se budovala sto let a investovaly se do ní obrovské peníze," říká Aleš Doucek, který ve společnosti ÚJV Řež zodpovídá za vodíkové technologie. Největší výrobci aut podle Rolanda Zsilinszkého také masivně investují spíše do jiných alternativních technologií, do elektromobilů a hybridních vozů. Rozvoji vodíku však v Německu napomáhá zákaz vjezdu vozů se spalovacími motory do městských center.

Dá se ale předpokládat, že klesající ceny vodíkových aut "nakopnou" i budování čerpacích stanic. Jejich síť se nyní rozrůstá v Německu, během dvou let se jich má postavit padesát. Další oblastí zaslíbenou vodíku je nyní Kalifornie. Stát tam podporuje rozvoj vodíkových technologií dotacemi na investice pro první stovku čerpacích stanic. Jednorázový finanční příspěvek i daňový odpočet mají zase povzbudit k nákupu samotných aut. "V Evropě je lídrem vodíkových technologií Německo a také Skandinávie. Překvapilo mě, jak daleko jsou v tomhle ohledu na Blízkém východě, třeba v Saúdské Arábii," říká Martin Fišer. Svým způsobem je to logické - nyní mají zisky z ropy, a tak mohou investovat do vodíku.

Automobilky zatím vyrábějí vodíkové vozy v malých sériích, často udělají pouze několik prototypů. "Už v polovině 90. let začali s vodíkem jako palivem experimentovat japonští výrobci," připomíná Zsilinszky. Postupně se přidaly další automobilky. Masovější produkci nyní chystá třeba společnost Toyota, jejíž vozy mají stát v přepočtu zhruba dva miliony korun. "Sériovou výrobu a prodej nejprve na japonském trhu zahájíme v letech 2015 až 2016," říká Tomáš Vaněk, mluvčí českého zastoupení Toyoty. Zatím však nechce sdělit, kolik vozů se má vyrobit.

Automobilka Hyundai ohlásila začátek sériové výroby už loni. "Do roku 2015 budeme mít 1000 vozidel a pak chystáme dalších 10 tisíc," uvádí Petr Vaněk, ředitel komunikace českého zastoupení. Jenže vodíkový model Hyundai ix35 se neprodává, ale propůjčuje do placeného pronájmu, a to zatím pouze ve Spojených státech, takže není možné zjistit ani cenu vozu. A podobné je to i v případě Hondy a jejího vodíkového modelu FCX Clarity, kterého se zatím vyrobilo sto kusů. Ty jezdí v Japonsku a v USA.

AUTOR: Eva Hníková

Vodíkové auto

Palivový článek v akci

1.
Z vodíku se po přidání kyslíku v palivovém článku vyrábí elektřina, jako odpad uniká voda, tedy přesněji řečeno vodní pára.

2.
K elektrodě označované jako anoda se přivádí vodík.

3.
Katalyzátor, buď čistě platinový, nebo tvořený oxidy ceru a obohacený platinou vodík rozštěpí.

4.
Zároveň je k elektrodě označované jako katoda přiváděn kyslík.

5.
Na membráně dochází k chemické reakci, při které se vodík s kyslíkem propojují. Vzniká elektrická energie a jako odpadní produkt též vodní pára.

České vylepšení palivového článku
V palivových článcích, které pohánějí vodíková auta, se jako katalyzátor běžně využívá platina. Tým Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze nahradil tento drahý kov na anodě oxidy ceru obohacenými nepatrným množstvím platiny. Postup si nechali patentovat. A nyní ho vylepšují. Kromě toho začal profesor Matolín pracovat i na nahrazení platiny na katodě.

Už nás oslovili investoři. Zatím ale jejich nadšení spíše brzdíme. Náš aktivní materiál se sice chová dobře, ale potřebujeme mít odzkoušené, že vydrží dlouho.

Vladimír Matolín
fyzik

100 mil. Kč
Tolik má k dispozici projekt, v jehož rámci bude Vladimír Matolín rozpracovávat svůj nápad vylepšení vodíkového pohonu.

Testy ukazují, že když se dodrží předepsaný tlak, teplota a další parametry, je jízda na vodík bezpečnější než na benzin.

Martin Fišer
šéf United Hydrogen