大家對氫元素肯定都不陌生，認識它基本都是從背元素周期表開始的。近年來我們身邊多了很多氫的身影，從北京冬奧會的氫燃料電池大巴，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(yè)上，氫的使用可是一點都不少，自 1975 年以來，需求量增長了三倍，而且還在繼續(xù)增長。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(jù)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，相當于英國和印度尼西亞的排放量總和，氫氣生產的增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(jù)環(huán)境友好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(qū)分，即綠氫、藍氫和灰氫。上面談到的用化石燃料制氫叫灰氫，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藍氫。

下面我介紹一下綠氫，綠氫是在電解過程中產生的，該過程利用風能和太陽能等可再生能源，在此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(fā)酵以及沼氣的重整。要實現(xiàn)“雙碳”目標，“氫”也能出一份力。新能源發(fā)電比較依賴環(huán)境的影響從而有不穩(wěn)定這一特點，會有一些“棄風”“棄光”的現(xiàn)象發(fā)生。大家自然而然的就會對未來有一些構想，比如建設“氫網”，無法上網的電力用來制氫，通過管網可以運出去，也可以長時儲存起來。

圖1. 電解氫---未來能源系統(tǒng)的一部分

電解氫想必很多人都見到過，我們中學化學老師會拿電解水的例子來講電化學反應。工業(yè)上的電解氫技術要結合效率、成本以及工藝的成熟度，我們常見的有三種：堿性電解水制氫（ALK）、質子交換膜制氫（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堿性電解水和PEM這兩種電解槽。

表1 電解氫技術

堿性水電解槽利用 KOH 或 NaOH 溶液作為電解質，通過隔膜分離氫氣和氧氣，并傳導氫氧根離子 (OH?)。 PEM 電解槽用質子交換膜，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。

堿性電解法因其設備投入成本低、生產工藝相對成熟，目前占主要的市場份額，但是其動態(tài)特性較差；動態(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，隨著設備投入成本的下降，未來具有更廣闊的空間。

那用什么電路拓撲呢？目前存在單級拓撲和雙級拓撲，這兩種拓撲各有千秋。單級拓撲是只存在一級AC/DC功率變換，將交流轉化成直流來直接電解水制氫。單級拓撲多用于從電網取電的場合，其效率高、成本低。雙級拓撲不但有前級AC/DC功率級，還包括后級的DC/DC，響應速度快，適合新能源發(fā)電來直接電解氫。

首先，先看一下輸入級（AC/DC）的方案。

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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拓撲具有損耗低、效率高的優(yōu)勢，如要滿足并網電流諧波、母線電壓諧波和功率因數(shù)等國標，分別至少需要24和12脈沖及以上的拓撲，這就需要龐大的整流變壓器。針對多脈沖整流器，英飛凌的功率晶閘管有以下產品可供選擇：

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PWM全控整流

PWM全控整流通過調節(jié) IGBT 的占空比，可將輸入側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，從而簡化拓撲。響應速度快，電能質量好，無需整流變壓器。主要拓撲有兩電平的B6和3電平。

圖3. 整流電路拓撲

以上是輸入級的大致方案，對于雙級電路來講，輸出級DC/DC都有哪些合適的方案呢？電解槽的規(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DC/DC將電壓降下來，交錯buck電路是非常直接的選擇。有些用戶強調安全，需要隔離型的拓撲，會使用DAB。對于強調效率的應用場景，3電平也是很好的選擇。

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交錯buck

該電路設計簡單，可以非常方便的從其它成熟平臺轉化而來，大大降低了開發(fā)成本，可以很快的推向市場。方便模塊化擴展，無需隔離，紋波電流低，電解槽壽命更長。

圖4 交錯Buck電路

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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。通過變壓器以高效率實現(xiàn)大幅度降壓。如果采用高頻設計，變壓器和磁性元件更小，成本更低。

圖5 DAB拓撲

以上就是大致的制氫電源的主功率拓撲和器件的方案。英飛凌整體解決方案不僅有功率器件，還有MCU、存儲芯片、IoT、電流采樣芯片、氣體檢測芯片、柵極驅動器和輔助電源管理芯片等，如果有興趣的話打開英飛凌網頁吧。

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

參考資料

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