2023博世科技日：博世科技覆蓋氫能全價值鏈

2023年7月10日，德國斯圖加特——氣候中立的實現(xiàn)離不開綠氫。無論是在交通、建筑還是制造領(lǐng)域，綠氫幾乎能應(yīng)用在每個行業(yè)中。博世已準(zhǔn)備好迎接氫能，而且在燃料電池技術(shù)等領(lǐng)域是一個早期開拓者。在整個氫能的價值鏈上，博世正在開發(fā)氫能相關(guān)的制造、壓縮、儲存和應(yīng)用等技術(shù)。在2023年博世科技日期間，公司將分享在產(chǎn)品和服務(wù)組合的見解。

2023年博世科技日展品概述如下：

質(zhì)子交換膜（PEM）電堆 – 助力交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的氫能技術(shù)

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池電堆是車用燃料電池系統(tǒng)的核心。PEM全稱是Proton Exchange Membrane。車用燃料電池電堆由多個獨立的單體電池組成。根據(jù)所需的輸出功率，其可能會包含幾百個燃料電池單體。在這些燃料電池中，氫氣與氧氣通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力和水。燃料電池內(nèi)部的膜會阻斷電子在陽極和陰極之間流動，并防止氫氣穿過膜，透到氧氣一側(cè)。這種膜是導(dǎo)通質(zhì)子的，可以使氫離子穿過。在制造雙極板時，博世采用自身獨有的工藝——高速激光焊接技術(shù)。其在每個電堆中產(chǎn)生1200米的氫氣密封焊接點。該電堆已在博世位于德國的班貝克工廠和中國的無錫工廠投產(chǎn)。2022年底，該電堆已實現(xiàn)量產(chǎn)。我們也計劃在包含美國工廠在內(nèi)的其他制造工廠進(jìn)行生產(chǎn)。

針對質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池使用壽命的防老化解決方案

在使用燃料電池時，其會經(jīng)歷一個老化過程：鉑顆粒和碳載體會產(chǎn)生氧化并退化——鉑顆粒增大，催化層變薄。為了解決這個問題，博世的研究人員開發(fā)了一種特殊的涂層以減緩老化過程。此外，通過系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化，避免高電位的產(chǎn)生以及由此導(dǎo)致的衰減，從而進(jìn)一步延長質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命至30000個工作小時。此外，針對某些可逆的老化過程，博世的研發(fā)人員已開發(fā)出對應(yīng)的恢復(fù)性處理流程。

氫氣內(nèi)燃機 – 已具備發(fā)展基礎(chǔ)，運行過程具備碳中和優(yōu)勢

除了氫燃料電池，車輛也可通過氫氣內(nèi)燃機獲得氫能動力。氫氣內(nèi)燃機對于長途重載的重型卡車而言尤為適用，并可應(yīng)用于長途貨運、建筑和農(nóng)業(yè)機械?，F(xiàn)有的內(nèi)燃機和動力總成系統(tǒng)能為氫氣內(nèi)燃機的研發(fā)奠定良好基礎(chǔ)，因為前者的諸多部件可直接應(yīng)用于氫氣內(nèi)燃機，如空氣供給系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等基本結(jié)構(gòu)。博世正在開發(fā)兩種適用于氫氣內(nèi)燃機的系統(tǒng)——進(jìn)氣道噴射和直接噴射系統(tǒng)。其中，直噴系統(tǒng)的噴嘴必須在沒有任何燃料潤滑的情況下運行，并需在卡車的整個生命周期內(nèi)具備開關(guān)數(shù)達(dá)十億次的可靠性水平。氫氣內(nèi)燃機除了大量的水，排放物只有少量的氮氧化物。而經(jīng)由成熟的尾氣后處理系統(tǒng)處理后，它不會對空氣質(zhì)量造成明顯影響。首批搭載氫氣內(nèi)燃機的車預(yù)計將于2024年上路。

▲氫氣內(nèi)燃機

儲氫罐 – 兼具緊湊型空間設(shè)計和創(chuàng)新性的乘用車解決方案

目前，搭載燃料電池的乘用車所用的氫氣以700巴的高壓存儲在大容量碳纖維加固儲氫罐中。博世的研發(fā)人員已開發(fā)出一種具備兩大新特性的儲氫罐。其一，由鋼制氣罐組成。其二，它是一種板下儲氫罐，可裝載于原本用于組裝電池的空間中。外觀上看，該系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)的鋼制儲氣罐。但氫氣可能會導(dǎo)致鋼材變脆。該產(chǎn)品作為一個公共資助項目的一部分，目前原型系統(tǒng)已構(gòu)建，全面符合對于高壓儲氣罐系統(tǒng)嚴(yán)格的國際規(guī)定。該儲氫罐的材料具有成本優(yōu)勢，并可回收利用。

IVECO重型燃料電池電動車輛（FCEV） – 面向歐洲市場需求的氫動力卡車

IVECO重型燃料電池車（FCEV）是一款面向歐洲市場需求的氫動力半掛車。通過其搭載的燃料電池總成與綠氫，該款半掛車能夠在當(dāng)?shù)厥袌鰧崿F(xiàn)凈零排放。搭載約70公斤的氫氣，這款車型可在無需加注燃料的情況下行駛超過800公里。目前，IVECO重型燃料電池車的燃料加注過程大約為20分鐘，這使其能夠應(yīng)用于包含長途運輸在內(nèi)的多種場景。

▲IVECO重型燃料電池電動車輛 – 面向歐洲市場需求的氫動力卡車

eDistanceTruck動力總成解決方案 – 博世助力卡車實現(xiàn)碳中和

博世為重型長途運輸提供多樣化的動力總成解決方案，包括燃料電池、電池和混動。而當(dāng)負(fù)載越重、路程越長時，燃料電池動力總成的優(yōu)勢就越明顯，比如能短時間完成燃料加注和運輸里程更長等。如果燃料電池動力總成使用的氫氣來自可再生能源，那么燃料電池的運行便是符合“氣候中立”的。博世不僅能提供電池動力系統(tǒng)、燃料電池和儲氫系統(tǒng)的單個組件，也可提供完整的氫動力模塊。該模塊可擴展，并且除了電堆，還結(jié)合了所有的氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)和電流拉載的子模塊。一個復(fù)雜的系統(tǒng)已經(jīng)簡化為一個易于集成的解決方案。

加氫站 – 壓縮氫氣的驅(qū)動裝置解決方案

為了能夠快速簡便地給車輛加氫，氣體必須被壓縮至達(dá)900巴的壓力。配備高效率、易維護(hù)的博世力士樂驅(qū)動系統(tǒng)的氫氣壓縮機在氫能基建中扮演重要角色。例如，博世力士樂攜手麥格思維特（Maximator Hydrogen）共同開發(fā)了可用于加氣站、儲氣罐和管道的高效氫氣壓縮解決方案。到2030年，麥格思維特計劃生產(chǎn)約4000套壓縮機系統(tǒng)。為了確保氫氣壓縮機的高能效運行，博世力士樂提供了一種易維護(hù)、可擴展的系統(tǒng)解決方案?？蓴U展的驅(qū)動裝置額定功率目前最高可達(dá)250千瓦，可為加氣站經(jīng)營者嘗試氫氣技術(shù)時提供低成本的選擇。與市場上的其他方案相比，新的、基于集裝箱式的壓縮機解決方案可將經(jīng)營商的總成本減半。

電堆和智能電解模塊 – 氫電解槽技術(shù)

博世不僅計劃啟用氫能，還將為氫能生產(chǎn)提供相應(yīng)的智能技術(shù)。為此，博世正在開發(fā)電解槽系統(tǒng)的核心部件——電解池。該電解池由100多個可利用電力將水分解成氧氣和氫氣的電解單元組成，輸出功率為1.25兆瓦，每小時可產(chǎn)出23公斤氫氣。在氫氣一側(cè)，所產(chǎn)生的壓力超過30巴。博世的電解池不僅可應(yīng)用在生產(chǎn)規(guī)模為1兆瓦及以上的小型工廠，也可滿足千兆瓦級別的工廠的需求。該電解池預(yù)計在2025年投入市場。與客戶合作的首批試點項目也正在籌備中，并將于明年啟動。此外，博世計劃將電解池與控制單元、電機和各種傳感器整合，進(jìn)而構(gòu)建一個“智能電解模塊”。這些部件將具備兼容性和緊湊性，并可對系統(tǒng)的效率、可靠性、易安裝性及易設(shè)置性等方面進(jìn)行優(yōu)化。

▲電堆和智能電解模塊 – 氫電解槽技術(shù)

固體氧化物燃料電池系統(tǒng) – 需求驅(qū)動式發(fā)電

博世的固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)是一種分布式發(fā)電設(shè)備，可應(yīng)用于商用建筑、工業(yè)廠房和計算中心。一個固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的輸出功率為100千瓦，根據(jù)功率需求，可通過組合多個系統(tǒng)實現(xiàn)兆瓦級的輸出。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)使用傳統(tǒng)燃料（如生物甲烷或天然氣，并可能在未來使用氫氣）產(chǎn)生熱能與電力，綜合能效可達(dá)90%。博世將在制造車輛氧傳感器時所積累的功能陶瓷方面專業(yè)知識，應(yīng)用在生產(chǎn)固定式燃料電池電堆之中。該系統(tǒng)預(yù)計于2025年投入生產(chǎn)。

▲博世固體氧化物燃料電池

燃料電池電堆中鉑的回收利用

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池電堆的制造需要包含鉑在內(nèi)的貴重原材料。若能從報廢的電堆中回收鉑，將使這一制造過程變得更加可持續(xù)且經(jīng)濟。為此，博世開發(fā)了新的合同模式，即有權(quán)回購用于出行領(lǐng)域的電堆。這一舉措構(gòu)造了可預(yù)測且穩(wěn)定的供應(yīng)鏈，并在提升資源利用率的同時，顯著降低了碳排放。此外，博世的研發(fā)人員開發(fā)出了更加環(huán)保且基于化學(xué)反應(yīng)的鉑回收解決方案。博世已為上述化學(xué)反應(yīng)申請了超20項專利。資源的回收也不僅限于產(chǎn)品壽命周期的末端，在電堆運行過程中，博世計劃通過數(shù)字孿生技術(shù)，監(jiān)測車用和固定式應(yīng)用中的電解裝置和燃料電池組件的使用壽命和性能，以便提前規(guī)劃維護(hù)、修復(fù)及回收工作。

制造與測試技術(shù) – 燃料電池的制造過程

博世智能制造解決方案事業(yè)部是博世負(fù)責(zé)核心工藝及非標(biāo)設(shè)備研發(fā)制造的部門。從單個部件到整套系統(tǒng)，博世智能制造解決方案事業(yè)部為燃料電池的生產(chǎn)提供先進(jìn)的制造設(shè)備和測試技術(shù)?？傮w而言，博世能夠自給50%以上用于生產(chǎn)燃料電池的制造設(shè)備。例如，德國費爾巴哈的測試臺便由博世智能制造解決方案洪堡事業(yè)部（原Moehwald）開發(fā)。而在測試電堆、系統(tǒng)及下線檢測時，會通過模擬真實環(huán)境，對質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行檢測。模擬環(huán)境下的氣體成分、溫度、壓力和濕度與實際車輛中的環(huán)境保持一致。

氫能兼容型工業(yè)鍋爐 – 可助力氣候中立的供暖及工藝過程供熱

憑借前瞻性的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)，博世助力全球的制造業(yè)國家降低能源成本并實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)——甚至助其達(dá)成熱處理過程中的氣候中立。全球范圍內(nèi)，工業(yè)領(lǐng)域的碳排放量約占總量的20%，其中的部分碳排放便來自蒸汽、熱能和熱水的產(chǎn)出過程。氫能和綠電在工業(yè)制熱和過程熱方面具有巨大潛力。博世的蒸汽發(fā)生器和熱發(fā)生器可100%基于綠氫、綠電或生物燃料靈活運行，并且，諸多傳統(tǒng)系統(tǒng)已準(zhǔn)備好升級成為可再生燃料適用的系統(tǒng)?；旌蟿恿﹀仩t系統(tǒng)是另一項頗具前景的技術(shù)。該系統(tǒng)采用電力供暖元件和燃燒器，可同時使用包含綠電和氫能在內(nèi)的不同種類燃料，不僅具備更強的靈活性與更好的供能保障，也實現(xiàn)了對化石能源的低依賴性。首批試點系統(tǒng)于2022年投入運營，累計減少相當(dāng)于4500個家庭的平均碳排放量。

氫能兼容型家用壁掛爐 – 氣候友好型供暖的技術(shù)中立性解決方案

博世的氫能兼容型家用壁掛爐最初將使用天然氣運行，但在情況允許時可輕松轉(zhuǎn)換為氫能供能。作為一款“氫就緒”產(chǎn)品，在不進(jìn)行改裝的情況下，該壁掛爐目前可使用20%混氫能源，不僅能夠為綠建低碳住宅實現(xiàn)多居室的舒適采暖需求，還有效減少了碳排放。在未來，當(dāng)燃燒能源由天然氣轉(zhuǎn)換為100%純氫氣時，這款混氫壁掛爐只需1小時改造就能獲得氫氣適配性，燃燒100%純氫燃料，實現(xiàn)真正的零碳排放。氫能兼容型家用壁掛爐所占用的空間極小，因此對于空間有限的老舊建筑而言，該壁掛爐將是一個頗具吸引力的迭代選擇。