グリーン水素システム開発のためのパワー半導体ソリューション

私たちの惑星は環境的にも気候的にも危険にさらされています。クリーンエネルギー、特にグリーン水素をベースにしたエネルギーの生産は、多くの企業や産業を気候と天然資源の保護を目的とした水素関連の研究への投資へと駆り立てています。温室効果ガスの削減はこれまでよりもさらに厳しくなり、2050年までに排出がゼロになることが期待されています。

水から水素を抽出する

水素は周期表の最初の元素です。ゼロから作成することはできませんが、水から取得できます。水素を抽出する方法はいくつかあります。あるものは他のものよりも多くの汚染を引き起こします。多くの場合、水素は同じ製造プロセスで生成され、消費されるため、分離する必要はありません。電気分解により、水を分解して水素を抽出することができます。このプロセスにより、次のものを取得できます。

最も簡単な方法の1つは、水溶液に電流を流すことです。このプロセス中に、水素が電極の1つに蓄積されます。化学元素の収集と保管、および廃棄物の処分は、プロセスの中で最も複雑な段階です。

水素は地球の未来

世界は、30年以内に温室効果ガスの排出をゼロにするという最も重要な課題に直面しています。これらの課題に対処するための最も有望な技術の1つはグリーン水素です。生産、貯蔵、輸送、使用が最大限に保証されれば、クリーンなモビリティが可能になり、さまざまな方法でCO₂ 排出量の削減に貢献できます。インフィニオンのパワー半導体は、グリーン水素の生産と消費のための効率的なソリューションを約束し、将来のエネルギーシステムに適した可能性を提供します。クリーンエネルギーの使用は、達成される科学の進歩に依存することは明らかですが、それ以上に政府の政治的決定に依存します。温室効果ガス削減の予測割合は年々増加しており、抜本的な決断をしなければ、簡単に転換点に達する可能性があることを示唆している。したがって、新たな用途では水素が主なエネルギー源になると予測されています。半導体製造は、クリーンなIoTシステムなどでは、当然この開発チャネルに従う必要があります。さまざまな種類の水素が利用可能になります。

•  化石資源から生産されるグレー水素はCO2の排出を伴い、もちろんこの可能性は絶対に避けなければなりません。
•  ブルー水素は、原子力炭素回収・隔離技術を用いて化石資源から生産されます。
•  グリーン水素は、水力、太陽光、風力などの再生可能エネルギー源からのみ生成されます。

水素の応用分野は多岐にわたり、エネルギー貯蔵から燃料貯蔵まで多岐にわたります。クリーンな性質のため、多くの分野で化石燃料の代替としても使用できます。水素の生産だけでは明らかに不十分です。再生可能エネルギーの増加には、十分な大規模エネルギー貯蔵が必要です。水素生産コストも、少なくとも当初は1キログラムあたり1ドル程度と非常に低くなると予想されています。水素はあらゆる分野で排出量を削減する鍵となるでしょう。生産および流通チェーンにおけるその有用性には、次のような効率的なシステムが含まれます。

•  ACおよびDC電気分解プロセスを使用して、クリーンかつ汚染のない技術で生成および生産します。
•  中長期のエネルギー貯蔵による効率的な伝送。
•  大幅に低いコストで消費します。

さらに、新しい半導体パワーデバイスの製造により、1kWから50MW以上の電力を問題なく管理できるようになりました。グリーン水素は、輸送、工業生産、高温加熱など、大規模に非常に重要な用途に使用できます。グリーン水素の製造（ 図1のブロック図を参照）には、電気分解プロセスに必要な構造が必要です。交流を直流に変換する必要があります。圧縮構造、補助システム、制御装置がそれに続き、当然ながら電子通信および安全サポート システムによって管理されます。

図1: 水素製造ブロック図 (出典: Infineon)

水素電気分解用サイリスタ

最近では、高電流を整流することを目的としたシステムが主流となっています。サイリスタとIGBTは膨大な量のエネルギーを処理できますが、最も興味深いのは、伝導損失を低減することで電力密度を最大化することです。冷却システムもサイリスタにとって重要なポイントであり、通常はシステム内に存在するヒューズによって保護することもできます。グリーン水素製造用のAC結合サイリスタ (図2を参照) には多くの利点があります。

•  回路はそれほど複雑ではありません。
•  最終的なシステムは、IGBTを使用したシステムよりも安価です。
•  IGBTよりも堅牢です。
•  前述したように、ヒューズを使用して保護を実装することが可能です。
•  電圧がゼロを超えると自動的に電源が切れます。
•  低い伝導損失で最大の電力密度が得られます。

図2: サイリスタを使用すると回路が複雑になりません (出典: Infineon)

基本図の左上には高電流整流器があり、右上には水素を生成する電解装置があります。使用される回路は、高電流アプリケーション（現在最大20 MW以上）用の一般的なサイリスタ整流器と、IGBT DC/DCコンバータを備えたダイオード整流器です。サイリスタの場合、電解装置によってDCラインに高調波が発生する可能性があります。これらは電解装置の出力には影響せず、111 mm ～ 150 mmのディスクで表されるか、単一のスタックに組み合わせることができます。後者には接続部、サイリスタ、冷却ディスクが含まれており、すぐに組み立てられるシステムを構成します。IGBTでは高調波は減少しますが、損失は大きくなります。最終的なニーズに応じて、2つのシステムのいずれかを選択して、電解装置を通過する電流の量を適切に調整できます。サイリスタを使用すると、この調整はより簡単に行うことができます。

さまざまなモデルでパワーアップ

InfineonのPower Blockモジュールは、必要な電力クラスに応じて、さまざまな種類 ( 図3 を参照) が用意されています。最小モデルは50 mmと60 mmで、ダイオード整流器またはサイリスタ整流器で使用できます。代わりに、150 mmディスク デバイスは、数メガワット以上の高電力に使用できます。最も一般的なモデルは、111 mm、100 mm、75 mmモデルです。通常のスタックに関しては、フルパワーを供給できるように液体冷却が装備されています。一部のモデルは最大3.6 kVまで動作できます。

図3: さまざまな整流器ソリューション (出典: Infineon)

それでは、水素燃料電池電気自動車について見てみましょう。バッテリーシステムと燃料電池で構成されています。システムの動作をよりよく理解するには、バッテリーが消耗しているか、ユーザーがACまたはDC充電回路付きのケーブルを使用してグリッドからエネルギーを引き出そうとしていることを想像してください。バッテリーが満充電になると、ケーブルが切断され、バッテリーからインバーターに電力が供給され、インバーターがモーターに電力を供給します。燃料電池にはいくつかの可能性があります。

•  非常に小さなバッテリー（1～2kWh）を使用でき、充電システムは必要ありません。バッテリーは主にバッファとして使用され、主なエネルギーはインバーターに電力を供給する燃料電池から供給されます。
•  より大きなバッテリー（10～20 kWh）を使用すると、5,000 kmを超える走行距離が可能になります。この場合、充電システムが必要になります。

最も重要なユニットは燃料電池システム（図4 参照）であり、その内部を水素が通過します。システムから排出された空気は圧縮され、燃料電池に送られます。次に電圧を印加します。コンバーターは高効率になるように設計する必要があります。反応後、ガスは排出され、大気中に放出されなければなりません。この段階では、燃料電池の温度を制御する熱管理が重要です。システム全体は5つのサブシステムで構成されています。

•  AFサブシステム
•  水素サブシステム
•  プロトン交換膜のサブシステム
•  排気サブシステム
•  熱管理サブシステム

最初のサブシステムでは、プロトン交換膜を汚染する可能性のある空気中の臭気を除去するために、フィルターの存在が不可欠です。この段階では、圧力、温度、空気の流れを継続的に測定する必要があります。また、圧縮により温度が上昇するため、プロトン交換膜に適切な温度と湿度を保つために冷却器と加湿器が必要になります。

図4: 燃料電池の動作のブロック図 (出典: Infineon)

2番目のサブシステムには、非常に安全な接続を介した水素分配器が含まれています。流量を継続的に測定することで損失を回避します。水素はタンク内で高密度に達するために約-40℃の温度まで冷却されます。その後、圧力調整器を通過して高速インジェクターに送られ、材料の再循環が可能になります。排気ガス中に水素が放出されないようにする必要があります。3番目のサブシステムでは、電圧が継続的に制御されます。4番目のサブシステムである排気サブシステムには、水蒸気が大量に含まれた空気システムからの流れが関係します。洗練されたシステムは非常に静かに動作します。5番目のサブシステムは熱管理専用です。水温を制御・調節し、気温が非常に低い場合に氷の形成を防ぎます。強力なマイクロコントローラによって管理されます。

結論

グリーン水素は確かに気候危機を解決する解決策の一つとなり得、この方向で研究を行っている企業は数多くあります。最大の課題はグリーン水素の製造、貯蔵、輸送、使用に焦点が当てられており、多くのメーカーがクリーンエネルギーを生産および消費する電子システムの構築向けに、幅広い電子製品とコンポーネントのポートフォリオを提供しています。

参照

グリーン水素システム開発のためのパワー半導体ソリューション — マルクス・ヘルムヴィレ、
Infineon Technologies AG、Nils Przybilla、Infineon Technologies Bipolar GmbH、Patrick Leteinturier、
インフィニオンテクノロジーズAG — ウェビナー