從環境和氣候的角度來看，我們的星球都處于危險之中。清潔能源的生產，特別是基于綠色氫的能源，正在推動許多公司和行業投資于氫相關研究，以保護氣候和自然資源。溫室氣體減排將比以往嚴格得多，希望到2050年實現減排。

從水中提取氫氣

氫是元素周期表的第一個元素。它不能從頭開始創建，但可以從水中獲得。有多種提取氫氣的方法。有些人比其他人產生更多的污染。通常，氫氣在同一制造過程中生產和消耗，無需分離。通過電解，可以通過分解從水中提取氫氣。這個過程使我們能夠獲得：

最簡單的方法之一是將電流施加到水溶液中。在此過程中，氫氣會積聚在其中一個電極上。收集和儲存化學元素以及廢物處理是該過程中最復雜的階段。

氫是地球的未來

世界正面臨著最重要的挑戰之一：在三年內實現溫室氣體零排放。應對這些挑戰的最有前途的技術之一是綠色氫。它將使清潔出行成為可能，并有助于減少 CO 2以多種方式排放，前提是生產、儲存、運輸和使用得到最好的保證。英飛凌的功率半導體承諾為綠色氫的生產和消費提供高效的解決方案，并為未來的能源系統提供合適的潛力。使用清潔能源顯然取決于取得的科學進步，但更取決于政府的政治決定。溫室氣體減排的預計百分比逐年增加，這表明如果不做出激烈的決定，很容易達到一個臨界點。因此，新興應用將氫視為主要能源。半導體制造顯然必須遵循這種發展渠道，例如清潔物聯網系統。可以使用不同類型的氫氣：

由化石資源產生的灰氫會產生CO 2的排放，當然，這種可能性必須絕對避免。

藍色氫是通過核碳捕獲和封存技術從化石資源中產生的。

綠色氫完全由可再生能源生產，如水電、太陽能和風能。

氫的應用領域很多，從能源儲存到燃料儲存。由于其清潔性質，它還可以在許多領域替代化石燃料。僅僅生產氫氣顯然是不夠的。可再生能源的興起需要足夠的大規模儲能。預計氫氣生產成本也將非常低，大約為 1 美元/公斤，至少最初是這樣。氫將成為任何行業減少排放的關鍵。它在生產和分銷鏈中的作用將包括一個有效的系統，包括：

采用清潔和無污染技術進行生產和生產，采用交流和直流電解工藝進行

高效傳輸，得益于中長期儲能

消費，成本顯著降低

此外，由于新的半導體功率器件的生產，可以毫無問題地管理從 1 kW 到 50 MW 甚至更大的功率。綠色氫在運輸、工業生產或高溫加熱方面具有非常重要的用途。綠色氫的生產需要電解過程所必需的結構。交流電需要轉換成直流電。緊隨其后的是壓縮結構、輔助系統和控制裝置，顯然由電子通信和安全支持系統管理。

電解氫用晶閘管

如今，旨在矯正高電流的系統處于最前沿。晶閘管和 IGBT 可以管理大量能量，但最有趣的是通過嘗試降低傳導損耗來最大化功率密度。冷卻系統也是晶閘管的關鍵點，晶閘管也可以通過系統中通常存在的熔斷器進行保護。用于綠色氫氣生產的交流耦合晶閘管具有許多優點：

電路不太復雜。

最終系統比帶有 IGBT 的系統便宜。

它們比 IGBT 更堅固。

如前所述，可以使用熔斷器實現保護。

當電壓過零時，它們會自動關閉。

以低傳導損耗獲得最大功率密度。

在原理圖中，左上角可以看到大電流整流器，右上角可以看到電解槽，它會產生氫氣。使用的電路是用于大電流應用（目前高達 20 MW 及以上）的典型晶閘管整流器和帶有 IGBT DC/DC 轉換器的二極管整流器。對于晶閘管，直流線路上可能會有一些由電解槽引起的諧波。它們不影響電解槽的輸出功率，由 111 毫米到 150 毫米的圓盤表示，或者可以組合成一個堆疊。后者包含連接、晶閘管和冷卻盤，并構成一個可立即組裝的系統。使用 IGBT，諧波會減少，但損耗會更高。根據最終需求，可以選擇兩種系統中的一種來適當地調節將通過電解槽的電流量。使用晶閘管，可以更輕松地進行這種調整。

不同型號的功率很大

根據所需的功率等級，英飛凌的 Power Block 模塊有不同的種類。最小型號為 50 毫米和 60 毫米，可與二極管或晶閘管整流器一起使用。150 毫米圓盤設備可用于幾兆瓦的更高功率。最常見的型號是 111 毫米、100 毫米和 75 毫米型號。至于普通的電堆，它們配備了液體冷卻，因此可以提供全功率。某些型號還可以在高達 3.6 kV 的電壓下工作。

現在讓我們來看看氫燃料電池電動汽車。它由電池系統和燃料電池組成。為了更好地了解系統的工作原理，假設電池已耗盡，或者用戶正在使用帶有交流或直流充電電路的電纜從電網中獲取能量。當電池充滿時，電纜斷開，電池可以為逆變器供電，逆變器反過來為電機供電。燃料電池有幾種可能性：

可以使用非常小的電池（1-2 kWh），不需要充電系統。電池主要用作緩沖器，主要能量來自燃料電池，燃料電池將為逆變器供電。

可以使用更大的電池（10-20 kWh），續航里程超過 5，000 公里。在這種情況下，需要充電系統。

最重要的單元是燃料電池系統，氫氣通過該系統。從系統通過的空氣被壓縮并送到燃料電池。然后施加電壓。轉換器必須設計得非常高效。反應后，必須將氣體排放并送入大氣。在這個階段，控制燃料電池溫度的熱管理很重要。整個系統由五個子系統組成：

自動對焦子系統

氫子系統

質子交換膜子系統

排氣子系統

熱管理子系統

在第一個子系統中，過濾器的存在對于消除空氣中可能毒害質子交換膜的氣味至關重要。在這個階段，必須連續測量壓力、溫度和空氣流量。此外，隨著壓縮提高溫度，需要冷卻器和加濕器來為質子交換膜獲得合適的溫度和濕度水平。

第二個子系統包括一個氫氣分配器，通過非常安全的連接。流量的持續測量避免了損失。氫氣被冷卻到大約 –40?C 的溫度以在罐中達到高密度。然后它通過壓力調節器并進入高速噴射器，這將允許材料再循環。必須避免在排氣中釋放氫氣。在第三個子系統中，電壓是連續控制的。第四個子系統，排氣子系統，涉及來自空氣系統的大量水蒸氣的流動。復雜的系統以極其安靜的方式運行。第五個子系統專門用于熱管理。它控制和調節水的溫度，并在溫度非常低時防止結冰。

結論

綠氫當然可以成為解決氣候危機的解決方案之一，很多公司都在朝著這個方向進行研究。最大的挑戰集中在綠色氫的生產、儲存、運輸和使用上，許多制造商正在提供廣泛的電子產品和組件組合，用于構建電子系統以生產和消費清潔能源。

審核編輯：郭婷