大家對(duì)氫元素肯定都不陌生，認(rèn)識(shí)它基本都是從背元素周期表開(kāi)始的。近年來(lái)我們身邊多了很多氫的身影，從北京冬奧會(huì)的氫燃料電池大巴，再到廣州南沙小虎島電氫智慧能源站，氫也越來(lái)越被大家熟知。工業(yè)上，氫的使用可是一點(diǎn)都不少，自 1975 年以來(lái)，需求量增長(zhǎng)了三倍，而且還在繼續(xù)增長(zhǎng)。然而，氫氣生產(chǎn)目前幾乎全部由化石燃料供應(yīng)，消耗了全球約 6% 的天然氣和 2% 的煤炭。據(jù)估計(jì)，目前全球每年氫氣生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳排放量為 8.3 億噸，相當(dāng)于英國(guó)和印度尼西亞的排放量總和，氫氣生產(chǎn)的增長(zhǎng)與遏制全球氣溫上升的努力不相適應(yīng)[1]。

首先明確一點(diǎn)，氫氣是二次能源。我們根據(jù)環(huán)境友好程度以及生產(chǎn)過(guò)程中是否有溫室氣體排放等，使用了幾種顏色來(lái)區(qū)分，即綠氫、藍(lán)氫和灰氫。上面談到的用化石燃料制氫叫灰氫，因?yàn)檫@種方式產(chǎn)生1噸的氫氣就會(huì)產(chǎn)生9~12噸的二氧化碳。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳被儲(chǔ)存或再利用，這種方式產(chǎn)生的氫氣叫藍(lán)氫。

下面我介紹一下綠氫，綠氫是在電解過(guò)程中產(chǎn)生的，該過(guò)程利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源，在此過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。其他生產(chǎn)綠氫的方法包括生物質(zhì)的氣化和發(fā)酵以及沼氣的重整。要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，“氫”也能出一份力。新能源發(fā)電比較依賴(lài)環(huán)境的影響從而有不穩(wěn)定這一特點(diǎn)，會(huì)有一些“棄風(fēng)”“棄光”的現(xiàn)象發(fā)生。大家自然而然的就會(huì)對(duì)未來(lái)有一些構(gòu)想，比如建設(shè)“氫網(wǎng)”，無(wú)法上網(wǎng)的電力用來(lái)制氫，通過(guò)管網(wǎng)可以運(yùn)出去，也可以長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)。

圖1. 電解氫---未來(lái)能源系統(tǒng)的一部分

電解氫想必很多人都見(jiàn)到過(guò)，我們中學(xué)化學(xué)老師會(huì)拿電解水的例子來(lái)講電化學(xué)反應(yīng)。工業(yè)上的電解氫技術(shù)要結(jié)合效率、成本以及工藝的成熟度，我們常見(jiàn)的有三種：堿性電解水制氫（ALK）、質(zhì)子交換膜制氫（PEM）和固體氧化物電解水制氫（SOEC）。

如下表所示，目前主要以堿性電解水為主，其次是PEM。至于固體氧化物制氫，由于其運(yùn)行條件限制，目前占比較小。本文所討論的制氫電源的方案主要針對(duì)堿性電解水和PEM這兩種電解槽。

表1 電解氫技術(shù)

堿性水電解槽利用 KOH 或 NaOH 溶液作為電解質(zhì)，通過(guò)隔膜分離氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)氫氧根離子 (OH?)。 PEM 電解槽用質(zhì)子交換膜，水在陽(yáng)極分解為氧氣、質(zhì)子 (H?) 和電子。質(zhì)子通過(guò)膜，電子經(jīng)外電路到陰極，在陰極形成氫氣。這兩種方法的電荷流動(dòng)都是有方向，所以從客觀上決定了要使用直流電。

堿性電解法因其設(shè)備投入成本低、生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，目前占主要的市場(chǎng)份額，但是其動(dòng)態(tài)特性較差；動(dòng)態(tài)系統(tǒng)好且與新能源發(fā)電契合度高的PEM制氫方法，再加之發(fā)電效率高等優(yōu)勢(shì)，隨著設(shè)備投入成本的下降，未來(lái)具有更廣闊的空間。

那用什么電路拓?fù)淠?？目前存在單?jí)拓?fù)浜碗p級(jí)拓?fù)洌@兩種拓?fù)涓饔星?。單?jí)拓?fù)涫侵淮嬖谝患?jí)AC/DC功率變換，將交流轉(zhuǎn)化成直流來(lái)直接電解水制氫。單級(jí)拓?fù)涠嘤糜趶碾娋W(wǎng)取電的場(chǎng)合，其效率高、成本低。雙級(jí)拓?fù)洳坏星凹?jí)AC/DC功率級(jí)，還包括后級(jí)的DC/DC，響應(yīng)速度快，適合新能源發(fā)電來(lái)直接電解氫。

首先，先看一下輸入級(jí)（AC/DC）的方案。

1

多脈波整流器

圖2. 多脈波晶閘管整流器[2]

多脈波整流器作為單級(jí)拓?fù)渚哂袚p耗低、效率高的優(yōu)勢(shì)，如要滿(mǎn)足并網(wǎng)電流諧波、母線電壓諧波和功率因數(shù)等國(guó)標(biāo)，分別至少需要24和12脈沖及以上的拓?fù)?，這就需要龐大的整流變壓器。針對(duì)多脈沖整流器，英飛凌的功率晶閘管有以下產(chǎn)品可供選擇：

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PWM全控整流

PWM全控整流通過(guò)調(diào)節(jié) IGBT 的占空比，可將輸入側(cè)交流電流控制為正弦波，從而大大降低電流諧波失真，提高功率因數(shù)。也可以使用碳化硅 MOSFET 代替硅 IGBT，從而簡(jiǎn)化拓?fù)洹ｍ憫?yīng)速度快，電能質(zhì)量好，無(wú)需整流變壓器。主要拓?fù)溆袃呻娖降腂6和3電平。

圖3. 整流電路拓?fù)?/p>

以上是輸入級(jí)的大致方案，對(duì)于雙級(jí)電路來(lái)講，輸出級(jí)DC/DC都有哪些合適的方案呢？電解槽的規(guī)格不一，所需的電壓也不一樣。如果整流之后的電壓比較高，需要一級(jí)DC/DC將電壓降下來(lái)，交錯(cuò)buck電路是非常直接的選擇。有些用戶(hù)強(qiáng)調(diào)安全，需要隔離型的拓?fù)?，?huì)使用DAB。對(duì)于強(qiáng)調(diào)效率的應(yīng)用場(chǎng)景，3電平也是很好的選擇。

1

交錯(cuò)buck

該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以非常方便的從其它成熟平臺(tái)轉(zhuǎn)化而來(lái)，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，可以很快的推向市場(chǎng)。方便模塊化擴(kuò)展，無(wú)需隔離，紋波電流低，電解槽壽命更長(zhǎng)。

圖4 交錯(cuò)Buck電路

2

DAB （Dual Active Bridge）

DAB的好處就是原邊和副邊的隔離，可以提升電解氫系統(tǒng)的安全性。通過(guò)變壓器以高效率實(shí)現(xiàn)大幅度降壓。如果采用高頻設(shè)計(jì)，變壓器和磁性元件更小，成本更低。

圖5 DAB拓?fù)?/p>

以上就是大致的制氫電源的主功率拓?fù)浜推骷姆桨?。英飛凌整體解決方案不僅有功率器件，還有MCU、存儲(chǔ)芯片、IoT、電流采樣芯片、氣體檢測(cè)芯片、柵極驅(qū)動(dòng)器和輔助電源管理芯片等，如果有興趣的話打開(kāi)英飛凌網(wǎng)頁(yè)吧。

以上就是大致的制氫電源的主功率拓?fù)浜推骷姆桨?。英飛凌整體解決方案不僅有功率器件，還有MCU、存儲(chǔ)芯片、IoT、電流采樣芯片、氣體檢測(cè)芯片、柵極驅(qū)動(dòng)器和輔助電源管理芯片等，如果有興趣的話打開(kāi)英飛凌網(wǎng)頁(yè)吧。

隨著器件的不斷推陳出新，以及新能源制氫的不斷發(fā)展，不斷會(huì)有新方案涌現(xiàn)出來(lái)。英飛凌也會(huì)有新的器件助力電解氫應(yīng)用的發(fā)展。

參考資料

1. The importance of power conversion technologies in the production of green hydrogen. Last update 2024-05.