燃料電池ソリューション用キロワットDC/DCコンバータ

燃料電池技術は近代的なものと思われがちですが、その歴史は19世紀初頭に科学者ハンフリー・デイビー卿とウィリアム・グローブ卿によって作られた最初のプロトタイプにまで遡ります。1960年代には、実用的な水素燃料電池技術が開発され、溶接機器や農業用トラクター、さらには宇宙ミッションの動力源として利用されるようになりました。水素燃料電池をさらに発展させるための重要なハードルは、気体を電池内の液体電解質から分離するための耐久性のある界面技術を設計することでした。界面はガス透過性があり、電気伝導性があり、電解液の腐食と発生する熱の両方に耐性がある必要がありました。今日、プロトン交換膜（PEM）を使用した構造により、これらの問題はほぼ解決され、スタック型燃料電池は、輸送や家庭用エネルギーなどさまざまな分野で、クリーンで効率的な電力を供給するための実行可能な選択肢となっています。


燃料電池は、化石燃料に代わる選択肢を提供し、温室効果ガスの排出削減に貢献することで、交通機関においてますます魅力的な選択肢となっています。水素を燃料とする燃料電池電気自動車（FCEV）は、現在、BMW、トヨタ、ホンダ、現代自動車など、多くの大手自動車メーカーによって生産されています。FCEVは、バッテリー電気自動車（BEV）よりも、特に長距離移動において、燃料補給が早く、航続距離が長いという利点があります。

高圧水素燃料補給ステーションは、従来の燃料ポンプと同様に作動しますが、BEVは長時間の充電停止や大きく重いバッテリーを必要とすることが多いです。このため、燃料電池は、迅速な燃料補給、軽量化、航続距離の延長が重要な要素となる長距離トラック輸送、バス、その他の大型輸送への応用に理想的です。その結果、FCEVはトラックや鉄道の用途にますます注目されるようになり、一方、クリーンな燃料電池を搭載したバスや路面電車は、すでに多くの都市部で見られるようになっています。さらに、小規模のFCユニットは冷蔵コンテナやトレーラーに簡単に後付けすることができ、生鮮品を冷やすためにディーゼルエンジンを稼働させ続ける必要がなくなります。

水素燃料電池は定置型電源システムにも応用され、ビルや工業用地、さらには地域全体に電力を供給しています。セルを増やせば電圧が上がり、セルの表面積を広げれば電流が増え、複数のスタックを並列に接続すれば出力が上がります。しかし、個々のセルは比較的低い電圧（0.5～0.8V）を発生するため、燃料電池は通常、構造を簡素化するために、200V～300Vの有用な出力電圧と大電流（数百アンペア）を供給するために積み重ねられます（図2）。


ポータブル・パワー・アプリケーションは、特に軍事、医療、家電の分野で、燃料電池のもう一つの有望な用途であります。燃料電池は従来のバッテリーよりも稼働時間が長く、遠隔地やオフグリッド、緊急事態において有利です。例えば米軍では、兵士の重いバッテリーパックへの依存を減らすため、現場機器に電力を供給する小型燃料電池を研究しています。

最近の進歩にもかかわらず、燃料電池エネルギーは、普及を妨げる固有の技術的課題に直面しています。水素燃料電池がエネルギー転換において重要な役割を果たすためには、これらの課題に対処することが不可欠です。

DC/DCコンバーターは、燃料電池とバッテリーパックの間のインターフェースを管理しながら、反応遅延とシャットダウンの両方の問題に対処します。

これらは

液冷によりコンパクトな設計と広い動作温度を実現し、75kWユニットのサイズはわずか750×400×200mmです。 DC/DCコンバーターは、周囲温度-40℃から+50℃の間でフルパワーで動作し、短絡、出力過電流、出力過電圧保護、冷却システムが故障した場合の自動シャットダウン機能を内蔵しています。

各15kWモジュールは、2段4相インターリーブ・ブースト・コンバータを採用しており、幅広い入力電圧と出力電圧で効率的な運転が可能です。デジタル制御により、すべての電流と電圧を正確に監視し、あらゆる負荷条件下でピーク性能を維持し、あらゆる故障に迅速に対応します。

このアーキテクチャはモジュール式で汎用性が高く、15kWから75kWまでのさまざまな出力電圧や電力要件に最適化することができます。また、ユニット間の並列接続により、最大225kWの構成が可能で、高出力のオフグリッドBEV充電器に最適です。

J1939 CANバスインターフェイスコネクターは、デジタルインターフェイスと同様に、有線の緊急シャットダウンとアラーム信号を提供します。

燃料電池は、よりクリーンで持続可能なエネルギー環境に向けた多用途かつ有望な道筋を提供し、気候変動に対処するために必要な脱炭素化目標に向けた重要な一歩となります。プログラマブル・キロワットDC/DCコンバーターと組み合わせることで、燃料電池は電化が困難な分野に実用的なソリューションを提供し、水素燃料電池自動車は、BEVへの過度の依存と電力網への過度の負担を軽減するのに役立ちます。