在新能源汽车领域，除了运用锂离子电池的电动汽车正以迅猛的速度发展之外，利用氢燃料电池作为汽车的动力来源，也是一个不可忽视的趋势。在追求绿色能源的发展过程中，氢气能源也面临着许多技术与发展上的挑战。本文将为您介绍氢气能源技术的发展现况，以及由英飞凌（Infineon）推出的相关解决方案。
低碳转型引领绿氢需求稳步增长
在朝向环保的绿色未来转变中，除了采用锂离子电池驱动的电动汽车之外，采用将氢气转化为电能的燃料电池系统，也是一个热门的发展方向，目前已有许多支持绿氢的创新产品不断推出，其中包括高效电解槽、用于能源管理的先进电力电子设备，以及将氢气转化为电能的燃料电池系统。特别是在运输和能源存储领域，在2021年的全球氢气市场规模为11.4亿美元，预计到2026年将飙升至151亿美元。
氢气通常被称为未来的燃料，但根据生产过程和相关的环境影响，它可标示成不同的颜色，像是灰氢、蓝氢和绿氢，以下将为您介绍一下它们的特性、生产方法和对环境的影响。
氢气是一种广泛用于工业和运输的气体，传统上是由化石燃料生产的，会产生大量的二氧化碳排放。每生产一公斤氢气，生产过程就会排放约10公斤二氧化碳。
灰氢是目前产量最多的形式，通过称为蒸汽甲烷重整（SMR）的过程从天然气中提取。不幸的是，这种方法会产生大量二氧化碳（CO2），导致温室气体排放。虽然它仍然被广泛使用，但由于其碳排放量较大，它也被认为是最不环保的氢气生产方式。
蓝氢则是通过相同的蒸汽甲烷重整工艺生产，但集成了碳捕获和储存（CCS）技术。这涉及捕获二氧化碳排放并将其储存在地下，或在其他工业过程中利用二氧化碳，从而减少总体排放量。蓝氢旨在减少与氢气生产相关的碳足迹，尽管如此，CCS的有效性和泄漏的可能性，仍在被积极研究和争论当中。
绿氢则是利用风能、太阳能或水力发电等可再生能源，通过电解过程生产的。通过对水（H2O）通电，电解将其分解为氢气（H2）和氧气（O2），从而实现零直接排放。由于电解过程需要非常高的直流电（DC），因此，必须首先将电网提供的交流电（AC）转换为直流电以进行整流过程。AC/DC转换则需要高功率半导体器件，当电解过程的输入功率由太阳能电池板产生时，来自光伏或储能系统的直流输入，也必须转换为适当的直流电压水平。
随着世界努力向低碳未来转型，对绿氢的需求预计将稳步增长。不断取得的技术进步和对降低成本所做的努力，正在释放绿氢作为清洁能源解决方案的巨大潜力，适用于交通、工业和能源存储等各个领域。
尽管具有诸多优点，但基于电解的绿氢生产目前仅占全球氢气产量的5%。其中超过70%的大部分仍然是从天然气中获得，从而导致二氧化碳排放持续存在。这凸显了迫切需要加速电解和可再生能源在制氢中的采用，以扩大绿氢规模，并推动各行业脱碳。
清洁能源技术投资推动氢燃料电池市场大幅增长
在清洁能源技术投资增加和减少碳排放努力的推动下，亚太地区（APAC）氢燃料电池市场有望大幅增长。日本、韩国和中国等国家在汽车、固定发电和便携式电子产品等各个领域率先采用氢燃料电池。这些燃料电池具有零排放、高能效和安静运行等优点，对需要可持续能源解决方案的应用极具有吸引力。
根据报导，2023年亚太地区氢燃料电池市场价值为16.721亿美元，预计到2033年将达到112.257亿美元，2023年至2033年复合年增长率（CAGR）为20.97%。氢燃料电池的价值主要在于其环境可持续性和效率，提供传统燃料能源的更清洁的替代品。若计算像是Plug Power、Doosan Fuel Cell、Ballard Power Systems等目前全球最大的前10家氢燃料电池公司的市值，则将高达50.5亿美元。
此外，印度也是电动汽车的新兴市场，在降低对化石燃料的依赖和转向绿色能源模式方面正在迅速取得进展。印度政府制定了到2030年生产500万吨绿氢的雄心勃勃目标，并宣布了国家绿氢使命，初始投资为23亿美元（1974.4亿印度卢比），该任务是为了实现在2070年实现碳中和的目标。
在中国，随着对环境保护的重视，氢燃料电池逐渐成为重点研究领域，氢燃料电池已在客车、叉车等领域得到应用，并验证了其优越的环保性能，目前已逐步应用于船舶动力中作为船用电池。包括中国国内前10名氢燃料电池企业在内的一些中国企业，已经掌握了氢燃料电池系统的研发技术，相关产品的冷启动、功率密度等性能显着提升，并实现了量产，年产能10,000台。
英飞凌提供氢燃料电池应用产品与技术支持
英飞凌看好氢燃料电池市场的发展，已经投入众多心力，通过帮助开发人员满足当前和未来的环境法规和客户要求，支持下一代燃料电池电动汽车传动系统。电动汽车燃料电池技术的核心是氢燃料电池堆，英飞凌的功率半导体解决方案和智能控制IC可实现多目标优化，以降低系统成本、提高功率密度、提高应用效率和实现模块化设计。英飞凌并提供专门的软件和设计公司合作伙伴、参考设计、评估板和布局资源，以加快客户的开发过程。
燃料电池汽车实际上是电池供电电动汽车的明智补充选择，因为这两种技术都为即将到来的减少二氧化碳排放的严峻挑战提供了解决方案。然而，氢燃料电池技术未来的成功，在很大程度上取决于加氢站的广泛建设，和消费者拥有汽车的总成本。英飞凌半导体解决方案可在绿氢生产和消耗的制造中，实现最低功率损耗和最高整体效率，并有助于为汽车和能源行业的氢燃料电池技术奠定基础。
碳化硅功率MOSFET技术提高燃料电池的效率和可靠性
以燃料电池空气压缩机为例，电动汽车推进系统中的燃料电池空气压缩机负责将空气压入燃料电池堆，空气在此处作为氧化剂，在燃料电池阴极与氢离子和电子发生反应形成水。
空气压缩机系统对于控制空气质量流量和气压至关重要。英飞凌CoolSiC™ MOSFET产品系列特别适用于空气压缩机系统，因为它们的导通损耗非常低且与温度无关，即使在高开关频率下也是如此。英飞凌的下一代碳化硅（SiC）功率MOSFET技术可为设计人员提供更高的灵活性，以便大幅提高燃料电池空气压缩机系统的效率和可靠性。
英飞凌的产品系列完全符合汽车标准，以紧凑型设计和高功率密度支持各种燃料电池空气压缩机和功率等级，可提供隔离集成栅极驱动器，以及可专用于xEV应用的多种32位微控制器解决方案，并可提供评估套件，可缩短系统开发时间。
在燃料电池DC/DC转换器应用中，英飞凌凭借在汽车行业的广泛专业知识和合作伙伴网络，提供以车载燃料电池DC/DC电动汽车系统的效率、性能和可靠性优化为中心的电动传动系统解决方案。英飞凌的下一代碳化硅（SiC）产品系列（包括CoolSiC™ MOSFET功率模块和分立器件）即使在极高的开关频率下也能实现一流开关和导通损耗。
这意味着设计人员可通过在燃料电池应用中，使用英飞凌优质可靠的汽车DC/DC转换器解决方案，以获得更高的转换效率、更小的尺寸和更大的功率密度。英飞凌SiC MOSFET可用于各种电压和功率等级，可提供模块和分立功率解决方案。
结语
氢燃料电池具备高能量密度、快速加注燃料的优势，还能大幅度减少温室气体排放，对环境友好，是电动汽车发展的未来之星。然而，氢燃料电池技术的普及依然面临着成本高昂、基础设施建设不足等挑战。不过，未来随着技术创新和政策支持，将是推动氢燃料电池汽车广泛应用的关键。只要克服这些障碍，氢燃料电池无疑将成为引领清洁能源革命的中坚力量，为全球可持续交通和环保事业作出重要贡献。英飞凌推出的下一代碳化硅（SiC）功率MOSFET技术，将能够满足氢燃料电池的应用需求，提供的更高的效率和可靠性，将有助于氢燃料电池系统的开发与应用。
