2023博世科技日：博世科技覆盖氢能全价值链

2023年7月10日，德国斯图加特——气候中立的实现离不开绿氢。无论是在交通、建筑还是制造领域，绿氢几乎能应用在每个行业中。博世已准备好迎接氢能，而且在燃料电池技术等领域是一个早期开拓者。在整个氢能的价值链上，博世正在开发氢能相关的制造、压缩、储存和应用等技术。在2023年博世科技日期间，公司将分享在产品和服务组合的见解。

2023年博世科技日展品概述如下：

质子交换膜（PEM）电堆 – 助力交通领域实现碳中和的氢能技术

质子交换膜（PEM）燃料电池电堆是车用燃料电池系统的核心。PEM全称是Proton Exchange Membrane。车用燃料电池电堆由多个独立的单体电池组成。根据所需的输出功率，其可能会包含几百个燃料电池单体。在这些燃料电池中，氢气与氧气通过化学反应产生电力和水。燃料电池内部的膜会阻断电子在阳极和阴极之间流动，并防止氢气穿过膜，透到氧气一侧。这种膜是导通质子的，可以使氢离子穿过。在制造双极板时，博世采用自身独有的工艺——高速激光焊接技术。其在每个电堆中产生1200米的氢气密封焊接点。该电堆已在博世位于德国的班贝克工厂和中国的无锡工厂投产。2022年底，该电堆已实现量产。我们也计划在包含美国工厂在内的其他制造工厂进行生产。

针对质子交换膜（PEM）燃料电池使用寿命的防老化解决方案

在使用燃料电池时，其会经历一个老化过程：铂颗粒和碳载体会产生氧化并退化——铂颗粒增大，催化层变薄。为了解决这个问题，博世的研究人员开发了一种特殊的涂层以减缓老化过程。此外，通过系统控制策略的优化，避免高电位的产生以及由此导致的衰减，从而进一步延长质子交换膜燃料电池的使用寿命至30000个工作小时。此外，针对某些可逆的老化过程，博世的研发人员已开发出对应的恢复性处理流程。

氢气内燃机 – 已具备发展基础，运行过程具备碳中和优势

除了氢燃料电池，车辆也可通过氢气内燃机获得氢能动力。氢气内燃机对于长途重载的重型卡车而言尤为适用，并可应用于长途货运、建筑和农业机械。现有的内燃机和动力总成系统能为氢气内燃机的研发奠定良好基础，因为前者的诸多部件可直接应用于氢气内燃机，如空气供给系统和排气系统等基本结构。博世正在开发两种适用于氢气内燃机的系统——进气道喷射和直接喷射系统。其中，直喷系统的喷嘴必须在没有任何燃料润滑的情况下运行，并需在卡车的整个生命周期内具备开关数达十亿次的可靠性水平。氢气内燃机除了大量的水，排放物只有少量的氮氧化物。而经由成熟的尾气后处理系统处理后，它不会对空气质量造成明显影响。首批搭载氢气内燃机的车预计将于2024年上路。

▲氢气内燃机

储氢罐 – 兼具紧凑型空间设计和创新性的乘用车解决方案

目前，搭载燃料电池的乘用车所用的氢气以700巴的高压存储在大容量碳纤维加固储氢罐中。博世的研发人员已开发出一种具备两大新特性的储氢罐。其一，由钢制气罐组成。其二，它是一种板下储氢罐，可装载于原本用于组装电池的空间中。外观上看，该系统类似于传统的钢制储气罐。但氢气可能会导致钢材变脆。该产品作为一个公共资助项目的一部分，目前原型系统已构建，全面符合对于高压储气罐系统严格的国际规定。该储氢罐的材料具有成本优势，并可回收利用。

IVECO重型燃料电池电动车辆（FCEV） – 面向欧洲市场需求的氢动力卡车

IVECO重型燃料电池车（FCEV）是一款面向欧洲市场需求的氢动力半挂车。通过其搭载的燃料电池总成与绿氢，该款半挂车能够在当地市场实现净零排放。搭载约70公斤的氢气，这款车型可在无需加注燃料的情况下行驶超过800公里。目前，IVECO重型燃料电池车的燃料加注过程大约为20分钟，这使其能够应用于包含长途运输在内的多种场景。

▲IVECO重型燃料电池电动车辆 – 面向欧洲市场需求的氢动力卡车

eDistanceTruck动力总成解决方案 – 博世助力卡车实现碳中和

博世为重型长途运输提供多样化的动力总成解决方案，包括燃料电池、电池和混动。而当负载越重、路程越长时，燃料电池动力总成的优势就越明显，比如能短时间完成燃料加注和运输里程更长等。如果燃料电池动力总成使用的氢气来自可再生能源，那么燃料电池的运行便是符合“气候中立”的。博世不仅能提供电池动力系统、燃料电池和储氢系统的单个组件，也可提供完整的氢动力模块。该模块可扩展，并且除了电堆，还结合了所有的氢气供应、空气供应和电流拉载的子模块。一个复杂的系统已经简化为一个易于集成的解决方案。

加氢站 – 压缩氢气的驱动装置解决方案

为了能够快速简便地给车辆加氢，气体必须被压缩至达900巴的压力。配备高效率、易维护的博世力士乐驱动系统的氢气压缩机在氢能基建中扮演重要角色。例如，博世力士乐携手麦格思维特（Maximator Hydrogen）共同开发了可用于加气站、储气罐和管道的高效氢气压缩解决方案。到2030年，麦格思维特计划生产约4000套压缩机系统。为了确保氢气压缩机的高能效运行，博世力士乐提供了一种易维护、可扩展的系统解决方案。可扩展的驱动装置额定功率目前最高可达250千瓦，可为加气站经营者尝试氢气技术时提供低成本的选择。与市场上的其他方案相比，新的、基于集装箱式的压缩机解决方案可将经营商的总成本减半。

电堆和智能电解模块 – 氢电解槽技术

博世不仅计划启用氢能，还将为氢能生产提供相应的智能技术。为此，博世正在开发电解槽系统的核心部件——电解池。该电解池由100多个可利用电力将水分解成氧气和氢气的电解单元组成，输出功率为1.25兆瓦，每小时可产出23公斤氢气。在氢气一侧，所产生的压力超过30巴。博世的电解池不仅可应用在生产规模为1兆瓦及以上的小型工厂，也可满足千兆瓦级别的工厂的需求。该电解池预计在2025年投入市场。与客户合作的首批试点项目也正在筹备中，并将于明年启动。此外，博世计划将电解池与控制单元、电机和各种传感器整合，进而构建一个“智能电解模块”。这些部件将具备兼容性和紧凑性，并可对系统的效率、可靠性、易安装性及易设置性等方面进行优化。

▲电堆和智能电解模块 – 氢电解槽技术

固体氧化物燃料电池系统 – 需求驱动式发电

博世的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统是一种分布式发电设备，可应用于商用建筑、工业厂房和计算中心。一个固体氧化物燃料电池系统的输出功率为100千瓦，根据功率需求，可通过组合多个系统实现兆瓦级的输出。固体氧化物燃料电池系统使用传统燃料（如生物甲烷或天然气，并可能在未来使用氢气）产生热能与电力，综合能效可达90%。博世将在制造车辆氧传感器时所积累的功能陶瓷方面专业知识，应用在生产固定式燃料电池电堆之中。该系统预计于2025年投入生产。

▲博世固体氧化物燃料电池

燃料电池电堆中铂的回收利用

质子交换膜（PEM）燃料电池电堆的制造需要包含铂在内的贵重原材料。若能从报废的电堆中回收铂，将使这一制造过程变得更加可持续且经济。为此，博世开发了新的合同模式，即有权回购用于出行领域的电堆。这一举措构造了可预测且稳定的供应链，并在提升资源利用率的同时，显著降低了碳排放。此外，博世的研发人员开发出了更加环保且基于化学反应的铂回收解决方案。博世已为上述化学反应申请了超20项专利。资源的回收也不仅限于产品寿命周期的末端，在电堆运行过程中，博世计划通过数字孪生技术，监测车用和固定式应用中的电解装置和燃料电池组件的使用寿命和性能，以便提前规划维护、修复及回收工作。

制造与测试技术 – 燃料电池的制造过程

博世智能制造解决方案事业部是博世负责核心工艺及非标设备研发制造的部门。从单个部件到整套系统，博世智能制造解决方案事业部为燃料电池的生产提供先进的制造设备和测试技术。总体而言，博世能够自给50%以上用于生产燃料电池的制造设备。例如，德国费尔巴哈的测试台便由博世智能制造解决方案洪堡事业部（原Moehwald）开发。而在测试电堆、系统及下线检测时，会通过模拟真实环境，对质子交换膜燃料电池进行检测。模拟环境下的气体成分、温度、压力和湿度与实际车辆中的环境保持一致。

氢能兼容型工业锅炉 – 可助力气候中立的供暖及工艺过程供热

凭借前瞻性的工业锅炉系统，博世助力全球的制造业国家降低能源成本并实现其可持续发展目标——甚至助其达成热处理过程中的气候中立。全球范围内，工业领域的碳排放量约占总量的20%，其中的部分碳排放便来自蒸汽、热能和热水的产出过程。氢能和绿电在工业制热和过程热方面具有巨大潜力。博世的蒸汽发生器和热发生器可100%基于绿氢、绿电或生物燃料灵活运行，并且，诸多传统系统已准备好升级成为可再生燃料适用的系统。混合动力锅炉系统是另一项颇具前景的技术。该系统采用电力供暖元件和燃烧器，可同时使用包含绿电和氢能在内的不同种类燃料，不仅具备更强的灵活性与更好的供能保障，也实现了对化石能源的低依赖性。首批试点系统于2022年投入运营，累计减少相当于4500个家庭的平均碳排放量。

氢能兼容型家用壁挂炉 – 气候友好型供暖的技术中立性解决方案

博世的氢能兼容型家用壁挂炉最初将使用天然气运行，但在情况允许时可轻松转换为氢能供能。作为一款“氢就绪”产品，在不进行改装的情况下，该壁挂炉目前可使用20%混氢能源，不仅能够为绿建低碳住宅实现多居室的舒适采暖需求，还有效减少了碳排放。在未来，当燃烧能源由天然气转换为100%纯氢气时，这款混氢壁挂炉只需1小时改造就能获得氢气适配性，燃烧100%纯氢燃料，实现真正的零碳排放。氢能兼容型家用壁挂炉所占用的空间极小，因此对于空间有限的老旧建筑而言，该壁挂炉将是一个颇具吸引力的迭代选择。