18

Aug . 2025

淺談製氫電源及英飛凌解決方案

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圖1. 電解氫---未來能源系統的一部分

大家對氫元素肯定都不陌生,認識它基本上都是從背元素週期表開始的。近年來我們身邊多了許多氫的身影,從北京冬奧的氫燃料電池大巴,再到廣州南沙小虎島電氫智慧能源站,氫也越來越被大家熟知。工業上,氫的使用可是一點都不少,自 1975 年以來,需求量增加了三倍,而且還在持續成長。然而,氫氣生產目前幾乎全部由化石燃料供應,消耗了全球約 6% 的天然氣和 2% 的煤炭。據估計,目前全球每年氫氣生產產生的二氧化碳排放量為 8.3 億噸,相當於英國和印尼的排放量總和,氫氣生產的成長與遏制全球氣溫上升的努力不相適應[1]。


首先明確一點,氫氣是二次能源。我們根據環境友善程度以及生產過程中是否有溫室氣體排放等,使用了幾種顏色來區分,即綠氫、藍氫和灰氫。上面談到的用化石燃料製氫叫灰氫,因為這種方式產生1噸的氫氣就會產生9~12噸的二氧化碳。生產過程中產生的二氧化碳被儲存或再利用,這種方式產生的氫氣叫做藍氫。


以下我介紹一下綠氫,綠氫是在電解過程中產生的,該過程利用風能和太陽能等再生能源,過程中不會產生溫室氣體。其他生產綠氫的方法包括生物質的氣化和發酵以及沼氣的重整。要達成「雙碳」目標,「氫」也能出一份力。新能源發電比較依賴環境的影響從而有不穩定這一特點,會有一些「棄風」「棄光」的現象發生。大家自然而然的就會對未來有一些構想,例如建造“氫網”,無法上網的電力用來製氫,透過管網可以運出去,也可以長時儲存起來。

電解氫想必很多人都看過,我們國中化學老師會拿電解水的例子來講電化學反應。工業上的電解氫技術要結合效率、成本以及製程的成熟度,我們常見的有三種:鹼性電解水製氫(ALK)、質子交換膜製氫(PEM)和固體氧化物電解水製氫(SOEC)。


如下表所示,目前主要以鹼性電解水為主,其次是PEM。至於固體氧化物製氫,由於其運轉條件限制,目前佔比較小。本文所討論的製氫電源的方案主要針對鹼性電解水和PEM這兩種電解槽。


表1 電解氫技術

鹼性水電解槽利用 KOH 或 NaOH 溶液作為電解質,透過隔膜分離氫氣和氧氣,並傳導氫氧根離子 (OH⁻)。 PEM 電解槽以質子交換膜,水在陽極分解為氧氣、質子 (H⁺) 和電子。質子通過膜,電子經外電路到陰極,在陰極形成氫氣。這兩種方法的電荷流動都是有方向,所以從客觀上決定了要使用直流電。


鹼性電解法因其設備投入成本低、生產過程相對成熟,目前佔主要的市場份額,但是其動態特性較差;動態系統好且與新能源發電契合度高的PEM制氫方法,再加之發電效率高等優勢,隨著設備投入成本的下降,未來具有更廣闊的空間。


那用什麼電路拓樸呢?目前存在單級拓樸和雙級拓撲,這兩種拓樸各有千秋。單級拓樸是只存在一級AC/DC功率變換,將交流轉化成直流電來直接電解水製氫。單級拓樸多用於從電網取電的場合,其效率高、成本低。雙級拓樸不但有前級AC/DC功率級,還包括後級的DC/DC,反應速度快,適合新能源發電來直接電解氫。


首先,先來看看輸入級(AC/DC)的方案。

1. 多脈波整流器

圖2. 多脈波閘流管整流器[2]

多脈波整流器作為單級拓樸具有損耗低、效率高的優勢,如要滿足併網電流諧波、母線電壓諧波和功率因數等國標,分別至少需要24和12脈衝及以上的拓撲,這就需要龐大的整流變壓器。針對多脈衝整流器,英飛凌的功率閘流管有以下產品可供選擇:

2. PWM全控整流

圖3. 整流電路拓撲

PWM全控整流透過調節 IGBT 的佔空比,可將輸入側交流電流控制為正弦波,進而大幅降低電流諧波失真,提高功率因數。也可以使用碳化矽 MOSFET 代替矽 IGBT,從而簡化拓樸。反應速度快,電能品質好,無需整流變壓器。主要拓樸有兩電平的B6和3電平。


以上是輸入級的大致方案,對於雙級電路來講,輸出級DC/DC都有哪些合適的方案呢?電解槽的規格不一,所需的電壓也不一樣。如果整流之後的電壓比較高,需要一級DC/DC將電壓降下來,交錯buck電路是非常直接的選擇。有些使用者強調安全,需要隔離型的拓撲,會使用DAB。對於強調效率的應用場景,3電平也是很好的選擇。

1. 交錯buck

圖4 交錯Buck電路

該電路設計簡單,可以非常方便的從其它成熟平台轉化而來,大大降低了開發成本,可以很快的推向市場。方便模組化擴展,無需隔離,漣波電流低,電解槽壽命更長。

2. DAB (Dual Active Bridge)

圖5 DAB拓撲

DAB的好處就是原邊和副邊的隔離,可以提升電解氫系統的安全性。透過變壓器以高效率實現大幅度降壓。如果採用高頻設計,變壓器和磁性元件更小,成本更低。


以上就是大致上的氫氣製造電源的主功率拓樸和裝置的方案。英飛凌整體解決方案不僅有功率元件,還有MCU、記憶體晶片、IoT、電流採樣晶片、氣體偵測晶片、閘極驅動器和輔助電源管理晶片等,如果有興趣的話打開英飛凌網頁吧。

隨著裝置的不斷推陳出新,以及新能源氫氣生產的不斷發展,不斷會有新方案湧現。英飛凌也會有新的裝置輔助電解氫應用的發展。

參考資料

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


https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-The_importance_of_power_conversion_technologies_in_the_production_of_green_hydrogen-Whitepaper-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8eeb092c018f383f2d1630d5&da=t


2. Delta-Polygon Autotransformer Based 24-Pulse Rectifier for Switching Mode Power Supply,Chun-ling Hao*, Xiao-qiang Chen, Hao Qiu. TELKOMNIKA, Vol.14, No.2, June 2016, pp. 431~439 ISSN: 1693-6930



文章來源:英飛凌汽車電子生態圈

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