氫是宇宙中含量最豐富的元素，是一種幾乎無限的能源。隨著可持續(xù)發(fā)展理念推動(dòng)諸多領(lǐng)域的能源技術(shù)創(chuàng)新，氫燃料電池作為一種沒有直接排放的發(fā)電設(shè)備，正展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

這些電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于氫燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），以及為數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院提供備用電源。它們的未來應(yīng)用包括實(shí)現(xiàn)海運(yùn)和航空的脫碳化，以及集成到可再生能源系統(tǒng)中用于穩(wěn)定電網(wǎng)。

對(duì)于電氣設(shè)計(jì)工程師而言，氫能系統(tǒng)面臨著與傳統(tǒng)電源截然不同的挑戰(zhàn)。本文將探討氫的能量循環(huán)、制取方法及其對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響，深入解析質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理，并重點(diǎn)介紹將電能輸出轉(zhuǎn)化為可用電力所需的專用功率電子技術(shù)。

現(xiàn)代制氫技術(shù)

如何才能捕獲我們身邊無處不在的氫，并將其轉(zhuǎn)化為燃料？目前，我們有多種方法可以采用，既有成熟的傳統(tǒng)技術(shù)，也有各種創(chuàng)新方案。以下是四種主要制氫方法：

蒸汽甲烷重整（SMR）：將天然氣與高溫蒸汽和鎳催化劑混合，生成氫氣和二氧化碳。該工藝高效且成本低廉，但需要依賴化石燃料，并且會(huì)排放大量二氧化碳。

電解：使用電流將水分解，生成氫氣和氧氣。當(dāng)使用可再生能源供電時(shí)，該工藝可以在沒有直接排放的情況下生成高純度氫氣，但現(xiàn)階段其成本依然較高。

光電化學(xué)水分解：采用特殊半導(dǎo)體吸收陽光并分解水。該方法目前仍處于研究和試驗(yàn)階段。

生物制氫：微生物通過生物過程產(chǎn)生氫氣。該工藝可與廢棄物處理相結(jié)合，但需要在受控環(huán)境中進(jìn)行，并且尚不具備規(guī)模化條件。

這些制氫方法都具有廣闊前景，但電解法對(duì)電氣工程師而言尤為重要，因?yàn)樗碇ㄟ^電氣專業(yè)知識(shí)直接助力綠色能源轉(zhuǎn)型這一關(guān)鍵交叉領(lǐng)域。與此同時(shí)，要將氫能打造為清潔能源未來的核心支柱，整合電力系統(tǒng)與可再生能源、優(yōu)化電解槽設(shè)計(jì)、開發(fā)先進(jìn)的膜技術(shù)和電催化劑，這些都是至關(guān)重要的方面。

先進(jìn)的制氫電解系統(tǒng)

電解技術(shù)已經(jīng)存在了數(shù)百年，它的基本原理算不上復(fù)雜，但今天的電解系統(tǒng)已經(jīng)融入了眾多先進(jìn)技術(shù)。

現(xiàn)代電解系統(tǒng)主要采用三種方法，每種都各有優(yōu)缺點(diǎn)。

堿性電解系統(tǒng)對(duì)于大規(guī)模項(xiàng)目而言是一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，但其效率較低，并且對(duì)功率波動(dòng)的響應(yīng)較慢。

質(zhì)子交換膜（PEM）系統(tǒng)的效率更高，并且能快速響應(yīng)功率波動(dòng)，非常適合與可再生能源系統(tǒng)集成。但該方法需使用貴金屬催化劑，因而成本較高。

固體氧化物電解系統(tǒng)是效率最高、燃料靈活性最佳的方法，并具有生產(chǎn)合成燃料的潛力，但目前仍處于研發(fā)階段。

目前，PEM系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿Γ嚓P(guān)研究正持續(xù)推動(dòng)成本下降和效率提升。根據(jù)Hydrogen Council（氫能委員會(huì)）的數(shù)據(jù)，電解槽成本在2010年至2020年間降低了約60%，并將持續(xù)下降至2030年[6]。

在探討了PEM技術(shù)如何通過電解水制氫后，我們現(xiàn)在可以分析相同的基本原理如何在PEM燃料電池中逆向作用以產(chǎn)生電能。

PEM燃料電池的工作原理

PEM燃料電池是電化學(xué)、材料科學(xué)和電氣工程的集大成者。這些電化學(xué)裝置可將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為電能、熱能和水。PEM燃料電池由四個(gè)主要部件組成：陽極、陰極、質(zhì)子交換膜和催化劑層[7]。

工程師常將其描述為三明治結(jié)構(gòu)，其基本布局如圖2所示。

圖2：PEM燃料電池（圖源：stock.adobe）

PEM燃料電池的工作原理如下：

高壓氫氣進(jìn)入燃料電池的陽極側(cè)，并與鉑催化劑接觸。

氫分子分解為質(zhì)子和電子。

質(zhì)子穿過交換膜，而電子通過外部電路流動(dòng)，產(chǎn)生電流。

陰極處的氧分子從外部電路中獲得電子，從而發(fā)生還原反應(yīng)。

這些氧原子與質(zhì)子和電子結(jié)合形成水。

理想情況下，該過程發(fā)生在燃料電池電堆中，制造商可以將電堆集成到帶有燃料、水、空氣管理以及冷卻液控制硬件和軟件的完整系統(tǒng)中。

對(duì)于從事電力系統(tǒng)工作的電氣工程師而言，在設(shè)計(jì)備用電源解決方案、微電網(wǎng)和清潔能源系統(tǒng)等應(yīng)用時(shí)，理解這些原理至關(guān)重要。其中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括優(yōu)化效率、管理水的生成，以及降低與鉑催化劑相關(guān)的成本。

雖然理解PEM燃料電池的電化學(xué)原理是必要的，但其實(shí)際應(yīng)用還需要先進(jìn)的功率電子技術(shù)將電池的電能轉(zhuǎn)換為可用電力。

燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵電子器件

功率電子器件可將低壓、大電流輸出轉(zhuǎn)換為可用的電力，同時(shí)應(yīng)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)和單向電流流動(dòng)等挑戰(zhàn)。

DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于將電池輸出電壓提升到適合汽車系統(tǒng)和住宅電力等應(yīng)用的水平至關(guān)重要。