水素電解装置システムの技術開発および関連ソリューション

電気分解による水素製造の主要な技術的側面と電気分解技術の種類

電気分解によって生成された水素は、輸送用燃料電池、産業プロセス、エネルギー貯蔵など、さまざまな用途で活用できます。再生可能エネルギーの導入が進むにつれ、グリーン水素電解装置システムは、持続可能で低炭素なエネルギーインフラの未来への移行に大きく貢献します。業界は、技術革新、再生可能エネルギーとの統合、政策および投資による支援、分散型生産など、複数の要因により急速に成長しています。
 
電力変換は水素電解装置システムにおける重要な要素であり、電源からの電気エネルギーを電気分解に必要な形態へ変換することを伴います。主要コンポーネントには整流器およびDC-DCコンバータが含まれ、電気エネルギーを効率的に管理・変換します。パワーモジュールソリューションはこれらのコンポーネントを一体化したシステムに統合し、スケーラビリティのためのモジュール設計、熱を放散するための効果的な熱管理、最適な性能と安全性のための高度な制御システムを備えています。
 
電気分解プロセスは、精密な電力変換によって供給される安定かつ効率的なDC電力で動作することを目的としています。これにより電解装置は水（H2O）を水素（H2）と酸素（O2）に分解でき、カーボン排出ゼロを実現するとともに、発電所における運用費用/設備投資（OPEX/CAPEX）を削減します。電力変換の性能は、水素生産効率、システム安全性、および全体のコスト効率に直接影響します。システムは通常、パワーモジュール、制御ユニット（リアルタイムの電圧/電流調整用）、冷却システム、および保護回路で構成されます。
 
現在、主要な電気分解技術は4つあります。Alkaline、Proton Exchange Membrane (PEM)、Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC)、およびAnion Exchange Membrane (AEM)です。Alkaline電気分解は最も確立されており、液体電解質を使用することでコスト効率に優れています。PEM電気分解は固体高分子膜を用い、高効率と高速なダイナミクスを提供します。SOECは高温で動作し、熱と電気エネルギーの両方を利用することで優れた効率を実現します。AEMは、AlkalineとPEMシステムの利点を組み合わせた新しい技術です。

水素電解装置システム向けの複数の包括的なソリューションをご用意しています

onsemiは、水素電解装置システム向けに、onsemi推奨製品を組み込んだ複数の完全なソリューションを提供しています。これらのソリューションは、onsemiのインテリジェントな電力およびセンシング技術を統合しています。電力モジュールおよびディスクリートデバイス、ゲートドライバに加え、標準の集積回路および信号製品を含む、ほとんどの機能モジュールデバイスが含まれています。
 
QDual3 IGBTモジュールは、onsemiのHigh Power Integrated Module（PIM）であり、特定のトポロジーにおいて、同等製品と比較してより高い電力密度と最大10%多い出力電力を提供します。内部で採用されているFS7 IGBT技術は業界最高水準の効率を実現し、コストを削減するとともに設計を簡素化します。メガワット級のエネルギーインフラシステムでは、通常、3x QDual3ハーフブリッジモジュールを使用して3レベル・トポロジーを構成します。複数のQDual3モジュールを並列接続することで、各システムは1.2MW（18x QDual3モジュール使用）または1.8MW（27x QDual3モジュール使用）を出力できます。600Aモジュールを用いる従来のソリューションと比較して、このアプローチはモジュール数量を30%削減し、設計を大幅に簡素化してシステムコストを低減します。
 
主要製品には、Qdual3 IGBT Module – NXH800H120L7QDSGが含まれます。FS7 IGBTおよびGen 7ダイオードを統合し、導通損失およびスイッチング損失を低減することで、設計者が高効率と優れた信頼性を実現できるようにします。本製品は、絶縁ベースプレート、NTCサーミスタ、はんだ付け可能ピン、低インダクタンス・レイアウトを備え、Qdual3形式にパッケージされた、1200V、800Aの2-in-1ハーフブリッジIGBT PIMです。
 
もう1つの製品であるF5BP Hybrid PIM – NXH500B100H7F5SHGは、デュアルチャネルのFlying Capacitor Boostモジュールです。各チャネルには、1000V、500AのIGBTが2個と、1200V、120AのSiCダイオードが2個含まれます。F5BP PIMパッケージは、F5-PIMパッケージと比較して熱抵抗が9%低く、優れた熱性能を提供するとともに、1500VDCシステムをサポートするため、ユーティリティスケール用途に最適です。本製品は1000V Field Stop 7 IGBTおよび1200V SiCダイオードをサポートし、低インダクタンス・レイアウト、はんだピン、内蔵NTCサーミスタを備え、Pb-FreeおよびHalide-Freeデバイスです。
 
onsemiのFull SiC Power Modulesには、M3S EliteSiC F1およびF2 Power Integrated Modules（PIMs）が含まれ、優れた熱性能、高い電力密度、強化された信頼性により大きな利点を提供します。これらのPIMは、高度なエネルギーインフラ向けに、コスト効率が高く高効率なソリューションを提供するよう設計されています。さらに、これらのモジュールは積み重ねて、数百キロワットを超える電力レベルを実現できます。
 
F2 Full Bridge PIM – NXH007F120M3F2PTHGは、7 mΩ / 1200 VのM3S SiC MOSFETフルブリッジで、HPS DBC（Direct Bonded Copper）基板を採用し、15V～18Vのゲートドライブ電圧をサポートし、事前塗布されたThermal Interface Material（TIM）を備え、負のゲート電圧で容易に駆動でき、press-fitピンを特長とします。別モデルのF1 Half Bridge PIM – NXH008P120M3F1PTGは、8 mΩ / 1200 VのM3S SiC MOSFETハーフブリッジで、優れたFOM [ = RDS(on) * Eoss ] を提供し、M3S技術を活用してスイッチング性能を最適化し、15V～18Vのゲートドライブ電圧をサポートし、負のゲート電圧で容易に駆動でき、事前塗布TIMの有無のオプションがあり、press-fitピンを特長とします。

エネルギーインフラ用途の要求を満たすシリコンカーバイドソリューション

onsemiはシリコンカーバイド（SiC）分野における主要な長期パートナーであり、信頼性の高いエンドツーエンドのサプライチェーン、深いアプリケーション専門知識、ならびに各市場に特化したさまざまなソリューションをカバーする幅広いEliteSiCポートフォリオを有しています。EliteSiC MOSFETおよび新しいSiC Cascode JFETは、クラス最高のスイッチング速度、超低オン抵抗（RDS(on)）、およびより高い効率を提供し、エネルギーインフラ用途における厳格なシステム性能および信頼性要件に対応します。

高度なゲートドライバ、電流検出アンプ、およびオペアンプ

onsemiのゲートドライバは、高効率・低損失のスイッチングと堅牢な絶縁により、水素電解装置システムを強化します。SiC / Si / IGBTデバイスに対応しており、スケーラブルでモジュール化された設計を可能にします。アクティブ・ミラー・クランプ、低電圧ロックアウト（UVLO）、高いコモンモード過渡耐性（CMTI）などの機能により、厳しい系統条件下でも安全かつ高精度な制御を実現します。これらの機能により、グリーン水素製造における性能と信頼性を最大化するうえで不可欠な存在となります。

結論

水素電解装置システムは、高効率化、エネルギー消費の低減、長寿命化、高信頼性化に向けて急速に進化しており、グリーン水素の産業チェーンにおける中核となる重要設備へと段階的に位置づけられつつあります。材料、パワーエレクトロニクス、システム制御、デジタル監視の各技術が成熟し続ける中で、電解装置は大規模化、モジュール化、インテリジェント化の用途に向けた明確な開発の道筋を示しています。将来的には、高効率な電極および膜材料の統合、先進的な電力・エネルギー管理ソリューション、ならびにライフサイクル全体にわたるシステムソリューションの統合を通じて、onsemiの水素電解装置システムソリューションは、再生可能エネルギーの統合、エネルギー構造の転換、そしてカーボンニュートラル目標の達成において、より戦略的な支援の役割を果たすことになります。