开发绿色氢系统的功率半导体解决方案

2021 年 8 月 25 日,作者:Giovanni Di Maria

从环境和气候的角度来看,我们地区正处于危险之中。清洁能源的生产,特别是基于绿色氢气的能源,正在推动许多公司和行业投资于旨在保护气候和自然资源的氢气研究。温室气体的减排会比以前严格很多,希望到 2050 年能杜绝排放。

从水中提取氢气

氢是元素周期表的第一个元素。它不能从零开始创造,但可以从水中获得。提取氢气有不同的方法。一些人比其他人制造更多的污染。通常,氢气在同一个生产过程中生产和消耗,不需要分离。通过电解,氢可以通过分解从水中提取出来。通过此过程,我们能够获得:

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最简单的方法之一是对水溶液施加电流。在这个过程中,氢气会在其中一个电极上积聚。收集和储存化学元素,以及废物处理,是这个过程中最复杂的阶段。

氢是地球的未来

世界正面临着最重要的挑战之一:在三十年内实现温室气体零排放。应对这些挑战的最有前途的技术之一是绿色氢。如果生产、储存、运输和使用能得到最佳保证,氢将使清洁交通成为可能,并有助于在许多方面减少二氧化碳的排放。Infineon 的功率半导体有望为绿色氢的生产和消费提供高效的解决方案,并为未来的能源系统提供合适的潜力。使用清洁能源显然取决于所取得的科学进步,但更取决于政府的政治决策。预计温室气体减排的百分比逐年增加,这表明如果不采取果断的决定,很容易达到临界点。因此,新兴的应用预见氢将成为主要的能源。半导体制造显然必须遵循这一发展渠道,例如,清洁物联网系统。有不同类型的氢可供使用:

  •  从化石资源中产生的灰色氢涉及 CO2 的排放,当然,这种可能性必须绝对避免。
  •  蓝色氢是利用核碳捕获和封存技术从化石资源中生产出来的。
  •  绿色氢完全由可再生能源生产,如水电、太阳能和风能。

氢的应用领域非常广泛,从能量储存到燃料储存不一而足。由于其清洁的性质,它还可以在许多领域取代化石燃料。仅仅生产氢显然是不够的。可再生能源的兴起需要充足的大规模储能。氢的生产成本预计也将非常低,至少在开始阶段为 1 美元/千克左右。氢将是减少任何行业排放的关键。它在生产和分销链中的用途将包括一个高效的系统,涉及:

  •  采用清洁无污染的技术进行发电和生产,采用交流和直流电解工艺。
  •  高效传输,得益于中长期储能。
  •  消耗,成本大大降低。

此外,由于新型半导体功率器件的生产,从 1 kW 到 50 MW 甚至更高的功率范围,都可以轻松管理。绿色氢在大规模运输、工业生产或高温加热方面有非常重要的用途。绿色氢的生产(参见图 1 中的框图)需要电解过程所必需的结构。交流电需要转换成直流电。压缩结构、辅助系统和控制紧随其后,显然由电子通信和安全支持系统管理。

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图 1:制氢框图(来源:Infineon)

氢电解用晶闸管

如今,旨在对高电流进行整流的系统处于最前沿。晶闸管和 IGBT 可以管理巨大的能量,但最值得关注的是试图通过降低传导损耗来最大化功率密度。冷却系统也是晶闸管的一个关键点,晶闸管也可以通过系统中通常存在的保险丝来进行保护。用于绿色制氢的交流耦合晶闸管(见图 2)有许多优点:

  •  电路不太复杂。
  •  最终的系统比配备 IGBT 的系统便宜。
  •  比 IGBT 更稳固。
  •  如前所述,可以用保险丝实施保护。
  •  当电压过零时,它们会自动关闭。
  •  在低导通损耗的情况下获得最大功率密度。
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图 2:使用晶闸管的电路不太复杂(来源:Infineon)

在原理图中,左上方是高电流整流器,右上方是电解器,它产生氢气。所使用的电路是用于高电流应用(目前高达 20 MW 及以上)的典型晶闸管整流器,以及配备 IGBT·DC/DC 转换器的二极管整流器。对于晶闸管,直流线上可能会有一些由电解器引起的谐波。它们不影响电解槽的输出功率,并且由 111 mm 至 150 mm 的圆盘表示,或者可以组合在单个堆栈中。后者包含连接、晶闸管和冷却盘,构成了一个易于组装的系统。使用 IGBT 时,谐波减少,但损耗较高。根据最终需要,可以选择两个系统中的一个来适当地调节将通过电解槽的电流量。利用晶闸管,这种调整就容易多了。

不同型号,实现强劲功率

Infineon 的功率模块有不同的种类(如图 3 所示),具体取决于所需的功率等级。最小的型号为 50 mm 和 60 mm,可与二极管或晶闸管整流器一起使用。150-mm 的圆盘器件可用于几兆瓦的更高功率。最常见的型号有 111-mm、100-mm 和 75-mm 型号。至于普通的电池组,它们配备液体冷却装置,以便能够输送全部功率。有些型号还可以在高达 3.6 kV 的电压下工作。

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图 3:不同的整流器解决方案(来源:Infineon)

现在让我们来看看氢燃料电池电动汽车。它由电池系统和燃料电池组成。为更好地理解该系统的工作原理,想象一下,电池电量已经耗尽,或者用户正在使用带有交流或直流充电电路的电缆从电网获取能量。当电池充满时,电缆断开,电池可以为逆变器供电,逆变器进而为电机供电。燃料电池有几种可能性:

  •  可以使用非常小的电池 (1–2 kWh),不需要充电系统。电池主要用作缓冲器,主要能量来自为逆变器供电的燃料电池。
  •  可以使用更大的电池 (10–20 kWh),续航里程超过 5,000 km。在这种情况下,需要一个充电系统。

最重要的单元代表是燃料电池系统(见图 4),氢气在其内部通过。从系统中排出的空气被压缩并送到燃料电池单元。然后施加电压。转换器必须采用高效设计。完成反应后,气体必须被排放到大气中。控制燃料电池温度的热管理在这个阶段很重要。整个系统由五个子系统组成:

  •  AF 子系统
  •  氢气子系统
  •  质子交换膜子系统
  •  排气子系统
  •  热管理子系统

在第一个子系统中,过滤器的存在对于消除空气中可能毒害质子交换膜的气味至关重要。在这个阶段,必须连续测量压力、温度和气流。此外,由于压缩会提高温度,因此需要冷却器和加湿器,为质子交换膜提供合适的温度和湿度水平。

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图 4:燃料电池单元运行框图(来源:Infineon)

第二个子系统包括一个氢气分配器,流经非常安全的连接机制。流量的持续测量避免了损失。氢气被冷却到大约 –40℃ 的温度,从而在储罐中达到高密度。然后,它流经压力调节器到达高速喷射器,这将允许材料的再循环。有必要避免在排气中释放氢气。在第三个子系统中,电压被连续控制。第四个子系统,即排气子系统,涉及来自空气系统的流量,其中有大量的水蒸气。复杂的系统以极其安静的方式运行。第五个子系统专用于热管理。它控制和调节水的温度,并在温度非常低的情况下防止结冰。它由功能强大的微控制器管理。

结论

绿色氢当然可以成为解决气候危机的解决方案之一,有许多公司正在开展这方面的研究。最大的挑战集中在绿色氢的生产、储存、运输和使用上,许多制造商正在提供广泛的电子产品和组件组合,用于构建电子系统,以生产和消耗清洁能源。

参考

开发绿色氢系统的功率半导体解决方案 — Markus Hermwille,
Infineon Technologies AG, Nils Przybilla, Infineon Technologies Bipolar GmbH, Patrick Leteinturier,
Infineon Technologies AG — 网络研讨会


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