ボッシュ 水素関連ソリューションで水素社会に対応する技術・製品・成果を発表

ボッシュ本社は2023年7月10日、ドイツ・シュトゥットガルトで開催された「BOSCH Tech Day 2023」で、水素の生産、圧縮、貯蔵、使用に関する技術、製品などを発表した。

ボッシュは、再生可能エネルギーで作られた電力により製造したグリーン水素は、輸送、建設、製造など、ほぼ全ての分野で重要な役割を果たし、カーボンニュートラルな世界の実現に必要不可欠と位置づけている。そのため燃料電池技術開発など、早くから水素事業に取り組んできており、その技術は多岐にわたっている。

早速、その分野ごとに新開発された製品、技術、考え方などをお伝えしていこう。

■ モビリティ向けPEM燃料電池スタックの開発

PEM燃料電池スタックはモビリティ用途の中核部品で、「PEM」とは「Proton Exchange Membrane」（プロトン交換膜）の頭文字だ。モビリティ用途のスタックは多数のセルで構成され、要求される出力に応じてそのセル数は数百枚に達する。

燃料電池のPEMスタックそのセル内部では、水素と酸素が反応して電気と水を生成し、セル内部のPEMは、アノードとカソードの間で電気が短絡するのを防ぎ、同時に水素分子が酸素側に透過するのを防いでいる。

一方でPEMにはプロトン伝導性があり、水素イオンは透過する。バイポーラプレートの製造で使用される高速レーザー溶接は、ボッシュのみが有する技術工程で、1200メートルにわたる各スタックの溶接部に水素密封性を持たせるために使用されている。

ボッシュは、これらのスタックをドイツのバンベルクと中国の無錫にある工場で製造し、またアメリカなど他の拠点での製造も計画している。

■ 燃料電池の劣化防止・回復プロセス技術の開発

燃料電池は、年数の経過とともに劣化が進行する。具体的には、白金粒子と炭素担体が酸化して劣化し、また一方で白金粒径が増大し、触媒層が薄くなっていく。この問題を解決するために、ボッシュの研究者はこれらのプロセスを緩和する特殊コーティングを開発した。

さらに、高いセル電圧などの劣化に関連する負荷条件を回避するシステム制御の対策により、将来的にはPEM燃料電池の寿命を3万動作時間まで延長することが可能になるとしている。そして、特定の劣化現象は元に戻せる可能性があり、ボッシュの研究者達はその回復プロセスを開発した。

■ 水素燃焼エンジンを開発

自動車の動力源として、水素は燃料電池だけでなく、気体の水素を燃焼させるエンジンとしても活用できる。水素エンジンは、長距離輸送、建設や農業機械といった特に積載量が多く、長時間走行する大型車両に最適とされている。

また、すでに存在する内燃エンジンとパワートレインのシステムコンポーネントの多くは、水素エンジンの燃料、吸気、排気システムの基本構造に応用可能できるのだ。

水素エンジン用のインジェクターボッシュは水素エンジン用に、水素のポート噴射と直噴システムの2つのシステムを開発した。直噴システム用のインジェクターは、液体燃料による潤滑なしで機能し、かつトラックなどの耐用年数の間に約10億回の開閉に耐える必要がある。

窒素酸化物NOxは、既存の排出ガス後処理システムを使用するで、大気環境ヘの影響を防止でき、この水素エンジンを搭載した量産車は、2024年に初めて公道で姿を見せる予定だ。

■ 炭素繊維の水素タンクの開発

燃料電池乗用車の水素は現在、700バールの大容量炭素繊維強化タンクに貯蔵されている。ボッシュは、スチール製シリンダーを組み込み、通常バッテリーを搭載する車体床下に設置できるという、2つの新しい特徴を備えたタンクを開発した。

乗用車用の革新的なスペース効率の高い水素タンク外観的には従来のスチール製タンクに似ているが、水素はスチールをもろくする可能性（水素脆性・すいそぜいせ）があるため、公的資金プロジェクトの一環として、高圧タンクシステムに関する厳しい国際規則に完全に適合したプロトタイプシステムが開発された。このタンクの材質はコスト面で優れており、リサイクルも可能だ。

IVECO製の燃料電池搭載の大型トレーラー■ 大型商用車メーカー「IVECO」の大型トラック用FCEV・燃料電池車

IVECO（イベコ）の大型FCEV車（燃料電池電気自動車）は、ヨーロッパ市場向けの水素燃料駆動のセミトレーラーである。燃料電池電気パワートレインを搭載し、グリーン水素と組み合わせることで走行中のゼロエミッションを達成する。

このトレーラーは70kgほどの水素を充填すれば、最長800km走行でき、現時点では、水素の充填にかかる時間は約20分。IVECOの大型FCEVは長距離輸送を含む多様な用途に適している。

■ トラック向け水素ソリューション技術のeDistanceトラックを提供

ボッシュは燃料電池、バッテリーEV、ハイブリッド パワートレインなど、長距離トラック向けにさまざまなパワートレイン・ソリューションを提供している。積載量が多く走行距離が長くなるほど、航続距離の長い燃料電池パワートレインが威力を発揮する。

大型トラック用の燃料電池システムまた、ボッシュは、電動パワートレイン、燃料電池、水素貯蔵システムの個別コンポーネントに加え、燃料電池パワーモジュールも提供している。

この燃料電池パワーモジュール・FCPMは拡張性が高く、スタックに加え、水素供給、吸気、そして電流出力のすべてのサブモジュールを組み合わせている。複雑なシステムをひとまとめにした、組み込みやすいソリューションだ。

■ 簡易メンテナンスの水素充填ステーションを提供

水素を急速かつ簡単に車両に充填するには、気体水素を900バールという超高圧にまで圧縮する必要がある。BOSCH rexroth（ボッシュ・レックスロス）社の高効率で簡易メンテナンスの駆動システムを搭載したコンプレッサーは、水素インフラを確立する上で重要な役割を果たすと期待されている。

すでにボッシュ・レックスロス社とMaximator Hydrogen（マキシメーター ハイドロジェン）社は、充填ステーション、貯蔵タンク、パイプライン向けに水素を効率的に圧縮するソリューションを開発している。マキシメーター ハイドロジェンは、2030年までに約4000基のコンプレッサーシステムを製造する予定なのだ。

高圧コンプレッサーまたボッシュ・レックスロス社の水素コンプレッサーは、現在、定格が最大250kWとなっている拡張性の高いドライブユニットで、充填ステーションのスタッフは水素テクノロジーを無理なく導入することが可能になっている。

このコンテナベースの新しいコンプレッサーは、市販の他の製品と比較して総所有コストを半減できる可能性があるのだ。

■ 水素製造技術の提供と水電解装置を2025年に提供

ボッシュは水素の活用だけでなく、水素製造向けのスマート技術の提供も計画している。このため、ボッシュでは水電解装置の中核要素である水電解スタックを開発している。

風力発電による電力で水素を取り出すスマート電解モジュールこのスタックは100以上の電解セルで構成され、電気によって水を酸素と水素に電気分解する。スタックは出力が1.25メガワットに設計されており、1時間あたりの水素製造量は23kgに相当する。また水素側の圧力は30バール以上となる。

ボッシュの水電解スタックは、出力1メガワット以上の小型プラントからギガワット規模の大型プラントまで対応でき、市場投入は2025年を予定。現在、顧客との最初の共同パイロットプロジェクトを準備中で、2024年開始予定だ。

さらに、ボッシュは電解槽スタックを制御ユニット、パワーエレクトロニクス、各種センサーと組み合わせることで、「スマート水電解モジュール」を開発する計画をしている。

これらの要素は、互換性と省スペースを念頭に、システムの効率、信頼性、設置、セットアップを最適化できるように設計されている。

■ 固体酸化物形燃料電池システム

ボッシュの固体酸化物形燃料電池（SOFC）システムは、商業ビル、産業プラント、コンピューターセンターで使用可能な分散型発電所だ。

SOFCシステムは、出力100kWを生成し、出力要件によっては複数のシステムを組み合わせてメガワット規模の電力を生み出すことも可能になるシステムだ。

大型定置発電用の固体酸化物形燃料電池システムSOFCシステムは従来の燃料（バイオメタンや天然ガス、将来的には水素）を使用し、熱と電力を生成するもので、総合的な効率は90%にも達する。

こうした定置型燃料電池スタックの製造には、車両用ラムダセンサーの製造で培われた機能性セラミックスに関する知識を活用することができ、2025年頃までに生産準備が整う見込みとしている。

■ 燃料電池スタックの白金をリサイクル

PEM燃料電池スタックの製造には、白金などの貴重な原材料が必要だ。使用済みのスタックから白金を回収すれば、このプロセスはさらに持続可能で経済的なものになる。そのため、ボッシュではモビリティ用途のスタックを再購入する権利を確保する新しい契約モデルを策定している。

これにより、予測可能で安定したサプライチェーンが構築され、資源の利用可能性が向上し、炭素排出量も大幅に削減される。さらにボッシュは、化学プロセスを用いて、より環境に優しい方法でプラチナを回収するソリューションも開発。このプロセスに関して、ボッシュは20件超の特許を申請しているのだ。

しかし、省資源は製品ライフサイクルの終了時点からだけでなく、製品の稼働中でもデジタルツインを駆使し、水電解装置やモビリティ用途、定置型の燃料電池で使われるコンポーネントの耐用年数や機能をモニターすることが計画されていおり、メンテナンス、修理、リサイクルを事前に計画できるようになる。

■ 燃料電池製造時の製造・検査技術

ボッシュの特殊用途の機械部門であるボッシュ・マニュファクチャリング・ソリューションズは、個々のコンポーネントからシステム全体に至るまで、燃料電池製造向けの高度な製造装置と検査技術を提供している。必要な製造装置全体の50%以上がボッシュ製なのだ。

開発テスト中のFCEVたとえば、フォイヤバッハにあるテストベンチはホンブルクに本拠を置くボッシュの子会社、Moehwaldによって開発され、スタックやシステムのテストでは、PEM燃料電池の性能をテストする最終機能試験の自然条件がシミュレーションされ、気体の組成、温度、圧力、湿度が実車と同様に再現することができる。

■ 水素対応の産業用ボイラーでカーボンニュートラルを目指す

ボッシュは将来性のある産業用ボイラーシステムで、世界中の製造業がエネルギーコストを削減し、持続可能性目標を達成できるよう支援しており、熱プロセスをカーボンニュートラルにすることを目標としている。

産業界は、世界の炭素排出量の約5分の1を占めており、その一部は蒸気、熱、温水の生成に由来している。また産業用暖房やプロセス熱における水素とグリーン電力の活用は、大きな可能性を秘めているのだ。そうした背景で、ボッシュの蒸気および熱発生器は、100%のグリーン水素、グリーン電力、またはバイオ燃料で柔軟に稼働させることができるとしている。

多くのレガシーシステムは、再生可能燃料へのアップグレードに対応する準備がすでに整っている。ハイブリッドボイラーシステムも有望な技術で、電気発熱体とバーナーを備えた設計により、グリーン電力や水素など、異なる燃料を同時に使用することができる。

こうして、柔軟性の向上、供給の安定化、そして化石燃料への依存からの脱却が実現するとし、最初のパイロットシステムは2022年に運用をすでに開始しており、4500世帯以上の平均排出量に相当する二酸化炭素の排出がキャンセルされているのだ。

■ 水素へ切り替え対応が可能なボイラー

ボッシュの水素対応ボイラーは、最初は天然ガスで稼働させ、水素が利用可能になった時点で簡単に水素に変換することができるように設計されている。装備を一切変更せずに配管網のガスに水素を20%混合することも可能なのだ。

既存燃料から水素燃料に切り替え可能な産業用ボイラー100%水素の利用が可能になれば、専門の設置業者が約1時間以内に100%水素稼働用に転換することができるのだ。交換が必要なのは、バーナーなどごく少数の部品だけだ。

水素対応ボイラーは省スペースのため、設置場所が限られている従来型の建物にとっては魅力的な選択肢となると予想している。

このようにボッシュは燃料電池や水素エンジンに留まらず、自動車メーカーをはるかに超える範囲で、水素を社会で活用するためのあらゆる分野を網羅する技術の開発を加速させていることは興味深い。

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ディーゼルはやめかい？w