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1、 白皮书白皮书 功率转换技术在绿氢生产中的重要性 版本：v1.0 修订日期 2024/07 2 2024/07 目录 摘要摘要 3 3 全球氢能市场全球氢能市场 4 4 电解水电解水 5 5 电解槽设备系统要求电解槽设备系统要求 6 6 电源拓扑电源拓扑 8 8 英飞凌解决方案英飞凌解决方案 1313 参考文献参考文献 1616 3 2024/07 摘要 全球对绿色氢气的需求量很大，而且还在快速增长。一些研究预测，到 2050 年，生产绿色氢气所需的电力需求将达到 4500 千兆瓦，而现在（2023 年）的电力需求约为 25 千兆瓦。绿色氢气将减少以氢气为原料的现有工业的碳足迹，而新型能源储存

2、和运输方法的开发也将推动这一指数级增长。目前，大多数氢气生产严重依赖化石燃料，因此是二氧化碳（CO2）排放的重要来源。使氢气生产实现碳中和的环境、政治和经济压力越来越大。因此，电解水在未来的制氢中将发挥重要作用。它还将影响能源系统的构建方式。目前，电解水法的氢气产量仅占全球氢气产量的 2%左右。电解水法利用风能和太阳能等可再生能源作为工艺输入，从而产生绿色氢气。电解水需要高水平且稳定的直流电流，因此，在任何电解制氢设备中，电能转换系统都至关重要。绿色电解厂必须能够直接或通过电网使用来自风力发电场或太阳能阵列的电力。它还必须能够将这些不同能量来源的输入转化为稳定的电气特性输出，以经济的方式产生氢

3、气。本文先简要探讨了推动氢气市场增长的系数，然后重点介绍了电解所需的电能转换系统(PCS)。介绍了一些典型的电解设备布局，以及交流-直流和直流-交流电源转换的拓扑结构。作为功率半导体领域的全球领导者，英飞凌全面的产品组合为 PCS 设计人员提供了广泛的选择。本文最后将概述英飞凌的产品和能力。4 2024/07 全球氢能市场 为工业用途供应氢气是全球一项主要的全球业务，自 1975 年以来，需求量增长了三倍 1，而且还在继续增长。然而，今天的氢气生产几乎完全依赖化石燃料。它消耗了全球球约 6%的天然气和 2%的煤 1。目前，全球制氢产生的二氧化碳排放量估计为每年 8.3 亿吨，相当于英国和印度尼

4、西亚二氧化碳排放量的总和。再加上对氢的需求不断增加，这种电平排放与全球为限制气候变化所做的努力格格不入。因此，重点在于氢气生产的去碳化。国际能源机构（IEA）最近的一份报告描述了绿色氢能如何获得前所未有的政治和商业支持。报告的结论是，现在正是扩大绿色氢技术和基础设施的合适时机。世界各地的制造商最近都宣布了扩大绿色氢气生产设施的计划，目标是到 2030 年达到 155 千兆瓦/年的总生产能力。预计到 2050 年，全球 60%至 80%的氢气供应将实现脱碳。电解水是绿色氢能基础设施的关键组成部分。随着基础设施规模的扩大，将可再生能源源整合进氢气生产设施的电力需求需求也将大幅增长，到 2050 年

5、将达到 4500 千兆瓦（见图 1）。图 1 满足巴黎气候协定 2规定的碳中和绿色制氢需求所需的装机电力。2023Global warming by 1.8C scenario 2025211070500100015002000250030003500400045002028Electrical power demand(GW)20302040205052884529544408 5 2024/07 电解水 电解法利用电能将水电解成氢和氧，从而产生氢气。该过程需要高质量的直流电（DC）。理论上，假设没有能量损失，至少需要 32.9 千瓦时的电能才能分裂出足够的水分子来产生 1 千克氢气 3。电

6、解槽通常包含以下组件：阳极和阴极-发生电化学反应的正极和负极 在电极间导通离子的电解质，可以是液体或固体 加快反应速度的催化剂 防止电极上产生的氢气和氧气混合的分离器 电源或氢能转换器，提供电解所需的电能 根据所使用的电解质类型，电解槽主要有三种类型：碱性碱性：这种电解器使用碱性溶液，是最常见的电解器。它们以经久耐用、成本低而著称。然而，与其他类型的电解槽相比，它们的效率较低 质子交换膜（质子交换膜（PEMPEM）：这些设备使用固体聚合物电解质，效率高、响应时序快、设计紧凑。不过，这些电解槽比碱性电解槽昂贵，因为它们使用铂等贵金属作为催化剂 固体氧化物固体氧化物：这些电解槽使用固体陶瓷材料作为