從環(huán)境和氣候的角度來(lái)看，我們的星球都處于危險(xiǎn)之中。清潔能源的生產(chǎn)，尤其是基于綠色氫的能源，正在推動(dòng)許多公司和行業(yè)對(duì)旨在保護(hù)氣候和自然資源的氫相關(guān)研究進(jìn)行投資。溫室氣體減排將比以往更加嚴(yán)格，希望到2050年消除排放。

從水中提取氫氣

氫是元素周期表的第一個(gè)元素。它不能從頭開始創(chuàng)造，但可以從水中獲得。有多種提取氫氣的方法。有些比其他造成更多的污染。通常，氫氣在同一制造過(guò)程中生產(chǎn)和消耗，無(wú)需分離。通過(guò)電解，可以通過(guò)分解從水中提取氫氣。這個(gè)過(guò)程使我們能夠獲得：

最簡(jiǎn)單的方法之一是向水溶液施加電流。在此過(guò)程中，氫會(huì)積聚在其中一個(gè)電極上。收集和儲(chǔ)存化學(xué)元素以及廢物處理是該過(guò)程中最復(fù)雜的階段。

氫是地球的未來(lái)

世界正面臨著最重要的挑戰(zhàn)之一：在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放。解決這些挑戰(zhàn)的最有前途的技術(shù)之一是綠色氫。它將使清潔移動(dòng)成為可能，并有助于減少 CO 2以多種方式排放，前提是生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用得到最好的保證。英飛凌的功率半導(dǎo)體承諾為綠色氫的生產(chǎn)和消費(fèi)提供高效的解決方案，并為未來(lái)的能源系統(tǒng)提供合適的潛力。使用清潔能源顯然取決于取得的科學(xué)進(jìn)步，但更取決于政府的政治決策。預(yù)計(jì)的溫室氣體減排百分比逐年增加，這表明如果不采取激烈的決定，很容易達(dá)到臨界點(diǎn)。因此，新興應(yīng)用將氫視為主要能源。半導(dǎo)體制造顯然必須遵循這一發(fā)展渠道，例如，對(duì)于清潔物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。可以使用不同類型的氫氣：

由化石資源生產(chǎn)的灰氫涉及CO 2的排放，當(dāng)然必須絕對(duì)避免這種可能性。

藍(lán)氫是利用核碳捕獲和封存技術(shù)從化石資源中生產(chǎn)出來(lái)的。

綠色氫完全由可再生能源生產(chǎn)，如水力發(fā)電、太陽(yáng)能和風(fēng)能。

氫的應(yīng)用領(lǐng)域很多，從能量存儲(chǔ)到燃料存儲(chǔ)。由于其清潔性質(zhì)，它還可以在許多領(lǐng)域替代化石燃料。僅生產(chǎn)氫氣顯然是不夠的。可再生能源的興起需要足夠的大規(guī)模儲(chǔ)能。預(yù)計(jì)制氫成本也極低，至少在最初階段為 1 美元/公斤。氫將是任何部門減少排放的關(guān)鍵。它在生產(chǎn)和分銷鏈中的作用將包括一個(gè)高效的系統(tǒng)，包括：

采用清潔和無(wú)污染技術(shù)生產(chǎn)和生產(chǎn)，采用交流和直流電解工藝進(jìn)行

中長(zhǎng)期儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)高效傳輸

消費(fèi)，顯著降低成本

此外，由于生產(chǎn)了新的半導(dǎo)體功率器件，可以毫無(wú)問(wèn)題地管理 1 kW 至 50 MW 甚至更多的功率。綠色氫在運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)或高溫加熱方面具有非常重要的用途。綠色氫的生產(chǎn)（參見圖 1 中的框圖）需要電解過(guò)程所需的結(jié)構(gòu)。交流電需要轉(zhuǎn)換成直流電。緊隨其后的是壓縮結(jié)構(gòu)、輔助系統(tǒng)和控制，顯然由電子通信和安全支持系統(tǒng)管理。

圖 1：制氫框圖（來(lái)源：英飛凌）

氫電解用晶閘管

如今，旨在拉直大電流的系統(tǒng)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(guò)嘗試降低傳導(dǎo)損耗來(lái)最大化功率密度。冷卻系統(tǒng)也是晶閘管的關(guān)鍵點(diǎn)，晶閘管也可以通過(guò)系統(tǒng)中通常存在的熔斷器進(jìn)行保護(hù)。用于綠色制氫的交流耦合晶閘管（見圖 2）具有許多優(yōu)點(diǎn)：

電路不那么復(fù)雜。

最終系統(tǒng)比帶有 IGBT 的系統(tǒng)便宜。

它們比 IGBT 更堅(jiān)固。

如前所述，可以使用熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

以低傳導(dǎo)損耗獲得最大功率密度。

圖 2：使用晶閘管使電路不那么復(fù)雜

在原理圖中，在左上角，您可以看到大電流整流器，在右上角，您可以看到產(chǎn)生氫氣的電解槽。所使用的電路是用于大電流應(yīng)用（當(dāng)前高達(dá) 20 MW 及以上）的典型晶閘管整流器和帶有 IGBT DC/DC 轉(zhuǎn)換器的二極管整流器。對(duì)于晶閘管，直流線路上可能存在一些由電解槽引起的諧波。它們不影響電解槽的輸出功率，以 111 mm 至 150 mm 的圓盤為代表，或者可以組合成一個(gè)堆疊。后者包含連接、晶閘管和冷卻盤，并構(gòu)成一個(gè)可立即組裝的系統(tǒng)。使用 IGBT，諧波減少但損耗更高。根據(jù)最終需求，可以選擇兩個(gè)系統(tǒng)之一來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)將通過(guò)電解槽的電流量。使用晶閘管，可以更輕松地進(jìn)行這種調(diào)整。

不同型號(hào)的大量功率

英飛凌的 Power Block 模塊有不同的種類，具體取決于所需的功率等級(jí)。最小的型號(hào)為 50 mm 和 60 mm，可與二極管或晶閘管整流器一起使用。150 毫米圓盤裝置可用于幾兆瓦的更高功率。最常見的型號(hào)是 111 毫米、100 毫米和 75 毫米型號(hào)。對(duì)于普通電堆，它們配備了液體冷卻，以便可以提供全功率。某些型號(hào)還可以在高達(dá) 3.6 kV 的電壓下工作。

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看氫燃料電池電動(dòng)汽車。它由電池系統(tǒng)和燃料電池組成。為了更好地了解系統(tǒng)的工作原理，請(qǐng)想象電池已耗盡，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(wǎng)獲取能量。當(dāng)電池充滿時(shí)，電纜斷開，電池可以為逆變器供電，逆變器又為電機(jī)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）并且不需要充電系統(tǒng)。電池主要用作緩沖器，主要能量來(lái)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(xù)航里程超過(guò) 5,000 公里。在這種情況下，需要一個(gè)充電系統(tǒng)。

最重要的單元是燃料電池系統(tǒng)（見圖 4），氫氣在其中通過(guò)。從系統(tǒng)流出的空氣被壓縮并送到燃料電池。然后施加電壓。轉(zhuǎn)換器必須設(shè)計(jì)成高效的。反應(yīng)結(jié)束后，必須將氣體排放到大氣中。在這個(gè)階段，控制燃料電池溫度的熱管理很重要。整個(gè)系統(tǒng)由五個(gè)子系統(tǒng)組成：

AF子系統(tǒng)

氫子系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜子系統(tǒng)

排氣子系統(tǒng)

熱管理子系統(tǒng)

在第一個(gè)子系統(tǒng)中，過(guò)濾器的存在對(duì)于消除空氣中可能毒害質(zhì)子交換膜的氣味至關(guān)重要。在此階段，必須連續(xù)測(cè)量壓力、溫度和空氣流量。此外，由于壓縮會(huì)提高溫度，因此需要冷卻器和加濕器來(lái)為質(zhì)子交換膜獲得合適的溫度和濕度水平。

圖 4：燃料電池運(yùn)行框圖

第二個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)氫氣分配器，通過(guò)一個(gè)非常安全的連接。流量的恒定測(cè)量避免了損失。氫氣被冷卻到約 –40?C 的溫度，以在罐中達(dá)到高密度。然后它通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器并到達(dá)高速注射器，這將允許材料再循環(huán)。必須避免在排氣中釋放氫氣。在第三個(gè)子系統(tǒng)中，電壓是連續(xù)控制的。第四個(gè)子系統(tǒng)，即排氣子系統(tǒng)，涉及來(lái)自空氣系統(tǒng)的氣流，其中含有大量水蒸氣。復(fù)雜的系統(tǒng)以極其安靜的方式運(yùn)行。第五個(gè)子系統(tǒng)專用于熱管理。它控制和調(diào)節(jié)水溫，并在溫度非常低時(shí)防止結(jié)冰。

結(jié)論

綠色氫當(dāng)然可以成為解決氣候危機(jī)的解決方案之一，并且有很多公司正在朝這個(gè)方向進(jìn)行研究。最大的挑戰(zhàn)集中在綠色氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用上，許多制造商正在提供廣泛的電子產(chǎn)品和組件組合，用于構(gòu)建電子系統(tǒng)以生產(chǎn)和消耗清潔能源。

審核編輯：郭婷