PCIM展台预览 | 从新能源制氢到燃料电池系统的功率半导体解决方案

来源:Amadeus发布时间:2021-08-31493浏览

氢气是重要的化工原料和清洁燃料，中国一年要消耗氢气高达2000万吨，但实际目前消耗的氢都是由煤炭、天然气、石油制备的。通过煤生产氢，产生二氧化碳高达29.02kg CO2kgH2，属于灰氢（按照中国氢能联盟的《低碳氢、清洁氢与可再生能源氢气标准及认定》征求意见稿，低碳氢的标准是要求温室气体排放低于14.51kgCO2ekgH2，可再生氢温室气体排放要求低于4.9kgCO2ekgH2）

理想可再生氢的生态链如图，用风电、光伏和水力发电的绿色电能电解水生产氢气。将电能转化为氢能或者其它化学能就是一种大规模、高效率的储能方案。氢能可以直接作为能源驱动氢燃料电池汽车或者燃烧释能，也可根据需要生产成甲醇、乙醇、氨或天然气，实现更高的储运效率和利用价值，实现可再生能源多元化利用。

电解制氢系统满足电网的一级控制储备能力。电解工厂将能够充当电网的大型缓冲器，以快速的响应稳定电网并快速、灵活地补偿波动；利用电网峰谷电价差，电解工厂又可以低成本地生产氢气；也可以在没有电网的无人区，用光伏发电，离网制造氢气，把氢运输到用户端。

电解制氢

电解制氢一般由低压电网供电，典型的电解整流电路如图：

采用5英寸的晶闸管，电解槽的系统功率可以达到3.6MW，PCIM展示推荐型号T3800N18TOF。

⭐参考文章：PCIM展台预览|为电解氢而设计的晶闸管

在光伏电厂制氢，不再需要逆变器，可以采用直流取电，通过DCDC变换器给电解槽供电，这样效率更高，适合于没有电网的地区离网式制氢。典型DCDC变换器是把1200VDC光伏组串的输出降压到200-300V，电路实现需要高速IGBT，SiC MOSFET，Si MOSFET和碳化硅二极管。

⭐参考文章：蒂森克虏伯的电解制氢系统

运氢和加氢

电解槽产生的氢气压力一般在3Mpa左右，长管运输车的压力标准是20Mpa，储存罐的压力可以高达75-85Mpa，每一个环节都需要变频的氢气压缩机，压缩机驱动建议采用电机驱动用EconoPIM™和EconoDUAL™3等IGBT模块，PCIM英飞凌展示的IGBT模块型号为最新一代的微沟槽技术的IGBT7。

图：加氢机组

燃料电池

氢气作为一种清洁新能源可用于燃料电池，将太阳能、风能、水电等可再生能源储存于氢气，用于燃料电池电动汽车，飞机、轮船交通工具和亚兆瓦级数据中心后备供电，兆瓦级的分布式发电等。

燃料电池是电解氢的逆过程，发电过程只产生纯水，一是非常环保，二是加氢可以象加油一样快速方便，这是新能源汽车、船舶和飞机的理想之选。

H2+1/2O2=H2O

燃料电池并不是新技术，基本原理也不是太复杂。燃料电池工作时，阳极的氢气在催化剂的作用下分解出氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿着外部电路到达阴极（正极）产生电流。而在阴极，空气中的氧气与氢离子、电子反应生成水。

但实际燃料电池系统很复杂，是一个小小电化学工厂。其中的高速空压机，氢泵，水泵需要电机驱动器变频驱动。由于燃料电池输出特性比较软，输出需要能够承受峰值功率的DCDC变换器稳压。

燃料电池中的高速空压机

由于大功率燃料电池工作时需要消耗大量的氧气，这就需要高速空压机输送大量的空气，一组150kW的燃料电池电堆，需要配30kW左右的空压机，空压机耗能来自于燃料电池电堆的输出，所以空压机的效率非常重要，采用碳化硅MOSFET可以在高频调制时实现高效率。

这是一个SIC MOSFET在电机驱动中的典型应用，是共性应用技术。详细信息可参考如下文章，并且欢迎到展柜前和数字岛与我们交流碳化硅在电机驱动中的应用。

⭐参考文章：燃料电池用全碳化硅高速空压机驱动器

燃料电池中的氢循环泵

氢循环泵作用是将燃料电池系统没有消耗完的氢气送回氢的输入端循环利用。氢循环泵的驱动器特点是，额定工况下功率只有几百瓦，但设计需要考虑在-30度时破冰，破冰时需要峰值大扭矩，驱动器这时输出大电流，即10倍的过载破冰启动，而驱动器一般采用自然冷却方式。这对IGBT的要求比较高，建议超额选择IKW40N120T2，保证低的结对壳的热阻和高结温下的可靠工作和寿命。