VG5SK8I052311 PM0N2000 电子元件如何支持氢气解决方案

　　水解的基本过程是相同的，无论是在小规模的本地生产设施中实施，如消耗小于500 kW的路边加氢站，还是潜在消耗20 MW或更多的散装氢制造厂。将水分离成氢气和氧气的单个电解电池在大约1.8 V - 1.9 V的正向电压下工作，这取决于温度和用于增强电解质的化学添加剂。电解液中的电流密度高达0.5 A/cm。1000安培的直流电可以驱动面积为2000平方厘米的电池，每天大约产生1公斤的气态氢。

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　　鉴于这一基本的化学过程已经被很好地理解了许多年，未来实现成本降低和效率提高的空间在哪里呢?目前，通过电解生产氢气的成本范围为每千克4-7美元，取决于电价和电解器的效率。美国能源部(DoE)已设定目标，到2025年将这一成本降至每公斤2美元，到2030年降至每公斤1美元。

　　实现这些降低成本的目标将需要电解槽效率的显著提高，以及由电解工厂的大规模部署导致的规模经济的提高。

　　电解工厂的一些效率增益将不得不来自更高效的电力转换系统。这使行业更加关注从主要供应商到高压设备制造商(如英飞凌和Littelfuse)的改进组件产品。

　　电解是一种化学操作，但它需要大量的电力，这些电力要么来自电网，要么直接来自所谓的“交流/DC耦合”电力系统中的风力涡轮机，要么直接来自DC/DC耦合系统中的太阳能发电场和蓄电池。向消耗兆瓦电力的大型电解工厂输送正确输入所需的高压电力转换设备，传统上一直是ABB、西门子和施耐德电气等少数大型全球制造商的领域。对电解工厂需求的增长不仅为这些现有企业带来了机遇，也为拥有高压电力设备制造专业知识的较小公司带来了机遇。

　　在高压设备市场，客户(水解厂运营商)将根据四个关键标准来评判现有供应商和新供应商:

　　电能质量

　　效率

　　可靠性

　　费用

　　这为电子元件制造商创造了一个机会，通过提供产品来帮助设备制造商在这些标准中的任何一个或多个标准上改进他们的产品，从而提高他们的地位。这导致了组件级的新一轮创新浪潮。

　　交流/DC耦合系统:晶闸管和IGBT开关

　　例如，在交流-DC耦合电力系统中，电解厂采用一系列电力变换系统配置(图1)，通常基于二极管/晶闸管-整流器拓扑或基于IGBT的有源前端(AFE)拓扑。AFE整流器可以在单位功率因数下工作，产生的总谐波失真(THD)小于5%。

　　图一。交流/DC耦合设置中的典型水解装置配置。图片由英飞凌和博多的动力系统[PDF]

　　几十年来，交流/DC耦合电解的主要拓扑结构一直是基于晶闸管的12或24脉冲系统(图2)。这些架构的主要优势是鲁棒性、高效率和高电流密度。晶闸管整流器在功耗超过1 MW的大功率应用中特别有用。即使是工作在50 MW以上的高系统功率配置，也可以通过高功率晶闸管和二极管盘阵列有效实现。基于晶闸管的设计已经在该领域运行了几十年，其中使用的压装器件提供了出色的功率和热特性。

　　图二。由专用变压器驱动的晶闸管控制的B12C整流器。图片由Littelfuse和博多的动力系统[PDF]

　　在一些工业电解槽中，流过整流器的电流可以在1.5 kA和2.0 kA之间变化。对于这种高功率系统，Littelfuse和Infineon都提供集成电源解决方案，称为电源组、电源模块和电源盘。Littelfuse为高达2.0 kA的应用提供N1718NC200相控晶闸管膜盒。

　　对于高压电解槽，英飞凌为任何拓扑结构的选择提供了组件选择。这包括AFE整流器，可以在高达100 kW的较低功率水平下使用其TRENCHSTOP 7 IGBT技术和/或CoolSiC MOSFETs，以及IGBT的PrimePACK产品，最高功率为5 MW。

　　晶闸管与IGBT:利弊

　　效率:IGBT系统比晶闸管整流器提供更高的能效。在…里绿色氢电解这对于最大化效率是很重要的，IGBTs可以最小化功率转换期间的能量损失。

　　电流和电压处理:晶闸管整流器更适合大型氢电解工厂，因为它们可以处理更高的电流和电压。虽然IGBTs效率很高，但晶闸管在管理高功率水平方面表现出色，使其成为大规模制氢系统的理想选择。

　　控制和精度:IGBTs比晶闸管提供更多的功率控制和精度。它们还为控制电压和电流提供了更大的灵活性，确保了氢电解设备的平稳高效运行。

　　随着许多国家努力实现雄心勃勃的2050年净零排放目标，绿色氢动力系统和氢燃料供应的发展也在加速。这反映了对人类可利用的最丰富的元素氢的使用缺乏限制。

　　今天生产的大部分氢气是通过从甲烷中分离碳来制造的，但这也会产生碳排放。“零排放”绿氢来自电解，使用清洁的电力(来自风力、太阳能或水力资源)将水分解成氢气和氧气。与不能长时间储存大量电能的电池不同，氢可以长时间大量储存。这使得它成为过剩可再生能源的理想绿色存储解决方案。

　　氢气有灵活的用途:它可以和氧气一起催化产生热量，或者被送入燃料电池发电。在燃料电池中，氢有潜力为家庭、制造业、运输业等提供清洁能源。氢燃料还可以补充风能和太阳能发电，提供一种绿色能源储存解决方案，以平衡可再生能源的间歇性。

　　行业观察家现在预测氢气行业将会有强劲的增长。这氢洞察2024报告氢理事会发布的报告显示，从2020年到2024年5月，全球氢项目管道增长了7倍，从228个项目增加到1572个项目。在最终投资决策阶段对项目的承诺投资也从2020年的102个项目的约100亿美元增长到2024年的434个项目的750亿美元。

　　中国的目标是到2025年拥有50，000辆氢动力汽车，而欧盟的目标是到2030年生产1，000万吨绿色氢——由可再生能源提供动力。

　　安装和维护:IGBT系统通常比晶闸管整流器更小，更容易安装。然而，晶闸管具有出色的耐用性，并且需要较少的维护，这使得它们成为大规模工业制氢厂的一种经济有效的选择。

　　基于IGBT和晶闸管整流器的拓扑结构在优化绿色氢电解系统的效率和性能方面都发挥了作用。了解每种技术的优势可以帮助制造商根据制氢要求选择正确的选项。

　　DC/DC耦合系统:宽带隙创新

　　在由太阳能和/或电池供电的DC/DC耦合系统中，水解器中用于功率转换的典型拓扑结构是交错降压桥和双有源桥(图3)。在这里，元件创新帮助电力设备制造商以更低的系统成本满足更高的效率和可靠性的市场需求。例如，英飞凌使制造商能够利用SiC MOSFETs的卓越电气和热属性，推出新的CoolSiC FET系列，其击穿电压额定值高达2,000。

　　图3。水解器的DC/DC耦合转换系统中的转换拓扑。图片由英飞凌和博多的动力系统[PDF]

　　IMYH200RxxxM1H MOSFETs采用HCC封装，爬电距离/电气间隙为14 mm/5.5 mm，导通电阻低至12mω。在电解中使用这些装置的好处包括:

　　低传导和开关损耗

　　低反向恢复损耗

　　出色的热性能

　　用于硬换向的健壮体二极管

　　虽然这些分立器件适用于10 kW - 100 kW的电解槽，但集成模块也可用于1 MW及以上的高功率应用。英飞凌通过其最新的IGBT7系列扩展了PrimePACK 3+模块的功能，该系列的器件具有2300V的击穿电压额定值。

　　IGBT7器件的额定工作温度范围为过温，其247 mm x 89 mm x 38 mm的外形可提供极高的电流密度。例如，在交错式降压转换器中，FF2400R12IP7 PrimePACK模块支持最高2.4 kA的电流和最高1，200 V的电压。

　　在双有源电桥拓扑中，英飞凌解决方案包括采用XHP封装的FF2000XTR33T2M1 SiC MOSFET模块，支持3.3 kV操作，导通电阻仅为2mω，而FF1800R23IE7 IGBT7模块提供2.3 kV/1.8 kA额定值。

　　氢气市场增长

　　美国能源部制定的积极的氢成本降低目标反映了氢生产作为在应用中采用氢和燃料电池技术的关键使能技术的作用，包括固定电源、便携式电源和运输。

　　实现1:1:1的目标——十年内每千克氢气1美元——将取决于整个水解过程中的技术进步，以及扩大部署以产生规模经济。

　　动力组件效率的不断提高以及产品和包装选择范围的不断扩大，将为电解工厂的动力设备制造商提供更大的创造价值空间，并加速这种新型燃料的发展。