氢能，是当今AI数据中心的能源解决方案吗？

如今AI数据中心的致命弱点就是能源问题。每个人都清楚这一点，并且都在竭尽全力寻找一种不会破产的能源解决方案。大型核反应堆、太阳能、标准电网以及新的AI模型都在考虑之中，但每种方案都有其缺点。

微型核反应堆需要数年才能建成，电网已经超负荷运转，更不用说消费者不愿意为此买单了。尽管太阳能有许多优点，但它需要大量的土地资源，并非每个社区都希望在自家后院安装数百英亩的太阳能电池板。提供能效更高的AI模型的新算法看起来很有前景，但由于国际环境中存在的一些技术限制，这成为了一个难以逾越的重大挑战。

尽管目前氢能作为车辆燃料已被搁置，但作为一种绿色能源的可能性，氢能并未被遗忘，特别是在公用电力设施中。一些人没有意识到的是，氢能已经是许多政府绿色能源计划中的活跃部分。另一些人可能不知道，首个氢动力AI数据中心（由位于加州山景城的ECL公司建设）已经投入运行。ECL在其设计方案上加倍投入，还计划在2025年推出价值5亿美元的氢能AI数据中心模块。这两个AI数据中心也被称为零废物和零用水的数据中心，这正是城市和社区所期望的。

政府氢能项目

在追求80亿美元的氢能源AI数据中心目标上，ECL并不孤单。美国、欧盟、中国和日本的政府举措也在推动氢能市场的发展。

美国能源部的清洁氢能枢纽计划及其向氢能生产商提供的数十亿美元贷款正在推动氢能的发展。欧洲也有自己的清洁氢能目标，特别是到2050年，欧盟10%的能源将来自氢能。中国现在已有一座太阳能驱动的制氢厂投入运行。韩国也不甘落后，拥有全球最大的氢能发电厂。

所有这些政府投资都重新燃起了对氢能的兴趣，使氢能再次回到投资者的路线图上。除了氢能生产商，氢能经济无疑将为电子和半导体公司打开大门。然而，这要求电源设计师熟悉氢能发电厂的内部运作、氢能生产工艺、氢燃料电池以及构建氢燃料生产系统和大规模氢燃料电池系统所需的电子设备。

氢能设计概览

基于氢能的AI数据中心技术远非简单。氢能技术的核心是电解槽，这是一种将水分解成氢气和氧气的机器。为了操作和设计电解槽，需要像风力或太阳能发电场这样的大功率能源。还需要非常稳定的kA和kV级别的电流和电压，以及MW级别的功率。

氢气生成过程需要电力电子设备，包括用于太阳能驱动电解槽的DC-DC转换器以及用于风力和电网驱动电解槽的AC-DC转换器。但这还不是全部。还需要有源滤波器来处理谐波失真。此外，还有各种特殊的升压转换器、降压转换器、逆变器以及脉冲倍增电路等更复杂的电路。虽然硅功率MOSFET和IGBT也被用于电解槽，但由于较低的开关损耗，SiC和GaN MOSFET将在新型电解槽中占据一席之地。

氢燃料电池

在电解槽的接收端是氢燃料电池。氢燃料电池就像电池一样，将化学能转化为电能。然而，燃料电池比手电筒电池复杂得多。典型的配置下，燃料电池通过压缩罐输送氢气和氧气。除了产生电压外，燃料电池还会产生水和热量作为副产品。这个过程更加复杂，因为燃料电池入口必须保持最佳温度、压力和湿度。负载变化也会引起燃料电池特性的变化。

单个燃料电池的额定电压较低，约为0.6V。为了获得更高的电压，必须将多个燃料电池堆叠起来。低端市场上，可以找到额定功率从5W到5kW不等的燃料电池。然而，氢燃料电池的功率等级并不仅限于此，100kW、300kW甚至1400kW的燃料电池也已面世。所有这些都足以满足GPU集群所需的每机架120kW的功率需求。

另一方面，残酷的现实是，燃料电池并不是现成的。只有燃料电池专家才会尝试使用氢燃料电池为GPU服务器集群供电。具体来说，可能会求助于美国电力公司或Bloom Energy这样的公司来改造AI数据中心以使用氢能。这两家公司可以共同安装能量密度为每英亩100MW的燃料电池技术。

西门子、博世、Fuel Cell Energy、Siltrax和OnExo等公司也都拥有氢燃料电池和氢电解槽技术。规格表存在，公司文献也有。文献表明，数据中心燃料电池的容量范围从100kW到1400kW不等。然而，令人吃惊的是，这些燃料电池的实际重量竟然达到了15吨，这一数字着实发人深省！

尽管氢能市场中有众多供应商，但ECL似乎是唯一准备好进军AI数据中心的公司。ECL最初基于1MW至2MW的氢能模块建立了其氢能数据中心。并且预计它将在位于得克萨斯州的1GW AI数据中心实施同样的方案。ECL的讽刺之处在于，从各方面来看，它实现了许多主要数据中心未能实现的目标，即将氢能作为主要能源，而不仅仅是作为备用能源。这一切都让人不仅猜想，ECL究竟知道哪些其他数据中心所不知道的信息。合理的猜测可能是，ECL对电解槽和燃料电池市场的了解比其他数据中心公司更多。

结语

氢能作为当今和未来数据中心的主要能量来源具有很大的潜力。Bloom Energy、美国电力公司和ECL等公司均已做出了重大财务承诺，建设由燃料电池和电解槽供电的数据中心，这是一个明显的信号。中国和韩国也拥有大型氢能公用电力设施，这是另一个非常明显的信号。博世、Fuel Cell Energy、Siltrax和OxEon等公司的参与也为氢气绿色能源组合的发展增添了动力。这些公司各自拥有的氢能技术可以帮助数据中心实现脱离传统电网的独立运行。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Hydrogen, is it the Energy Answer for Today's AI Data Centers?，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。