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，尤其是基于綠色氫的能源，正在推動許多公司和行業對旨在保護氣候和自然資源的氫相關研究進行投資。溫室氣體減排將比以往更加嚴格，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元素。它不能從頭開始創造，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向水溶液施加電流。在此過程中，氫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。解決這些挑戰的最有前途的技術之一是綠色氫。它將使清潔移動成為可能，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策。預計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，很容易達到臨界點。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一發展渠道，例如，對于清潔物聯網系統。可以使用不同類型的氫氣：

由化石資源生產的灰氫涉及CO 2的排放，當然必須絕對避免這種可能性。

藍氫是利用核碳捕獲和封存技術從化石資源中生產出來的。

綠色氫完全由可再生能源生產，如水力發電、太陽能和風能。

氫的應用領域很多，從能量存儲到燃料存儲。由于其清潔性質，它還可以在許多領域替代化石燃料。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鍵。它在生產和分銷鏈中的作用將包括一個高效的系統，包括：

采用清潔和無污染技術生產和生產，采用交流和直流電解工藝進行

中長期儲能實現高效傳輸

消費，顯著降低成本

此外，由于生產了新的半導體功率器件，可以毫無問題地管理 1 kW 至 50 MW 甚至更多的功率。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（參見圖 1 中的框圖）需要電解過程所需的結構。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，顯然由電子通信和安全支持系統管理。

圖 1：制氫框圖（來源：英飛凌）

氫電解用晶閘管

如今，旨在拉直大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。用于綠色制氫的交流耦合晶閘管（見圖 2）具有許多優點：

電路不那么復雜。

最終系統比帶有 IGBT 的系統便宜。

它們比 IGBT 更堅固。

如前所述，可以使用熔斷器來實現保護。

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。

圖 2：使用晶閘管使電路不那么復雜

在原理圖中，在左上角，您可以看到大電流整流器，在右上角，您可以看到產生氫氣的電解槽。所使用的電路是用于大電流應用（當前高達 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，諧波減少但損耗更高。根據最終需求，可以選擇兩個系統之一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。最小的型號為 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。最常見的型號是 111 毫米、100 毫米和 75 毫米型號。對于普通電堆，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，請想象電池已耗盡，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，逆變器又為電機供電。燃料電池有幾種可能性：

可以使用非常小的電池（1-2 kWh）并且不需要充電系統。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，需要一個充電系統。

最重要的單元是燃料電池系統（見圖 4），氫氣在其中通過。從系統流出的空氣被壓縮并送到燃料電池。然后施加電壓。轉換器必須設計成高效的。反應結束后，必須將氣體排放到大氣中。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：

AF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。在此階段，必須連續測量壓力、溫度和空氣流量。此外，由于壓縮會提高溫度，因此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。

圖 4：燃料電池運行框圖

第二個子系統包括一個氫氣分配器，通過一個非常安全的連接。流量的恒定測量避免了損失。氫氣被冷卻到約 –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到達高速注射器，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，即排氣子系統，涉及來自空氣系統的氣流，其中含有大量水蒸氣。復雜的系統以極其安靜的方式運行。第五個子系統專用于熱管理。它控制和調節水溫，并在溫度非常低時防止結冰。

結論

綠色氫當然可以成為解決氣候危機的解決方案之一，并且有很多公司正在朝這個方向進行研究。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耗清潔能源。

審核編輯：郭婷