氢储能是一种新型储能，来源丰富、清洁无碳、高效可再生，在能量维度、时间维度和空间维度上具有突出优势，是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。氢储能既可以储电，又可以储氢及其衍生物（如氨、甲醇）。狭义的氢储能是基于“电‒氢‒电”的转换过程，主要包含电解槽、储氢罐和燃料电池等装置。利用低谷期富余的新能源电能进行电解水制氢，储存起来或供下游产业使用；在用电高峰期时，储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电并入公共电网。广义的氢储能强调“电‒氢”单向转换，以气态、液态或固态等形式存储氢气，或者转化为甲醇和氨气等化学衍生物进行更安全地储存。
图1：氢储能应用场景
氢储能技术被认为是极具潜力的新型大规模储能技术，适用于极短或极长时间能量储备的技术方式。与化学电池储能类似，氢气储能技术的外部环境依赖性小，项目建设选址方便、环境影响小，但是与其他储能技术相比，其能量转换效率偏低，成本高，商业化应用的各个环节仍存在不少瓶颈。
一、氢的来源分类
氢气按照其生产来源分为四种：灰氢、蓝氢、蓝绿氢和绿氢。
1）灰氢
灰氢是用化石燃料生产的（即利用蒸气甲烷重整或煤气化从甲烷中生产的氢）。在灰氢制取过程中会产生大量的二氧化碳排放，因此，这种制氢技术不适合实现净零排放。
2）蓝氢
蓝氢是由蒸汽甲烷重整或带（85%-95%）碳捕捉的煤气化而得来的氢。在能源转型的早期阶段，使用蓝氢可以促进氢市场的发展。目前大约四分之三的氢由天然气生产，碳捕捉的改造可以允许继续使用现有资产，同时实现更低的温室气体排放。这是—种选择，即以较低的温室气体排放生产氢，同时减轻可再生能源装机容量比率在生产绿氢方面的压力。然而，到目前为止，蓝氢也有其局限性：它使用的资源较为有限，易受化石燃料价格波动的影响，并且不能从根本上解决能源安全的需求。这也意味着，尽管蓝氢燃料可以减少二氧化碳排放，但它不能满足未来净零排放的要求。基于这些原因，蓝氢只能被视为一个短期过渡，以促进绿氢的发展。
3）蓝绿氢
蓝绿氢是采用天然气为原料的的产氢方法，在生产过程中不产生二氧化碳，甲烷中的碳通过热裂解过程固化为炭黑，而炭黑的市场已经存在，蓝绿氢生产过程中产生的炭黑也提供了额外的收入来源，并且炭黑比气态二氧化碳更容易存储，目前，蓝绿氢仍处于示范阶段。
4）绿氢
绿氢是通过可再生电力经电解水方法生产的氢气，制取过程不产生二氧化碳是最适合实现可持续能源转型，通过电解水生产绿氢符合净零路线，允许利用行业耦合的协同效应，从而降低技术成本，为电力系统提供灵活性。波动性可再生能源的低成本和技术改进降低了绿氢的生产成本。因此，水电解产生的绿氢越来越受到人们的关注。目前绿氢的制取成本较高，降低成本是发展绿氢利用的主要目标。
二、氢燃料电池
在新能源和清洁能源中，水力能、风力能、太阳能、生物质能、核能和燃料电池等领域得到人们的广泛关注与研究。其中，燃料电池由于其启动快、效率高、噪声低和污染小等方面的特点而得到了越来越多的重视。
燃料电池是将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置，由于工作时燃料是通过电化学反应进行能量与物质的转换与传递的，因此具有很高的效率，是传统燃烧效率的二到三倍左右。同时使用氢作为燃料时，燃料电池可以完全实现无污染的电能供给，唯一的其它产物是水。再加上其噪声小和启动快等优点，燃料电池是一种十分理想的能量转换与供给装置。
燃料电池根据其结构、工作原理的不同可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。质子交换膜燃料电池以其高功率密度、零排放、低噪声等优点，获得了广泛的应用，也成为氢能产业发展的核心技术之一。
图2为质子交换膜燃料电池（以下称氢燃料电池）的基本构成及其工作原理示意图，其结构较为简单，主要部件包括流场板、气体扩散层、微孔层、催化层（及质子交换膜等，如图2（a）所示，除流场板外，其余7个部分实际上都是一种多孔结构。如图2（b）所示，质子交换膜燃料电池工作过程中阳极与阴极催化层中分别发生如下的电化学反应：
图2 质子交换膜燃料电池的基本构成及其工作原理
三、氢燃料电池供电系统构架
氢燃料电池系统主要包括燃料电池堆、气体供给子系统、加湿子系统以及热管理子系统，典型的燃料电池系统示意图如图3所示。各子系统之间的协调配合，保证了电池堆的高效稳定运行。
图3 典型氢燃料电池系统示意图
1）氢燃料电池堆
氢燃料电池堆作为系统核心部件将反应气体的化学能转化为电能。在标准状态下（273.15 K，101325 Pa）以氢氧反应的产物水是液态为例，单片电池的理论电压（称为能斯特电压）仅为1.23V。为了满足实际燃料电池产品（如车载燃料电池动力系统）的功率需求，燃料电池堆通常由几十甚至几百片单电池串联（或混联）而成，如丰田燃料电池汽车Mirai的电池堆由370片单电池串联而成，能够实现114kW的最大输出功率并且达到3.1kW/L的功率密度。
典型的燃料电池堆包括若干片单电池、进排气歧管、冷却液歧管、集流板、绝缘板、端板、密封垫圈以及装配紧固件等。当反应气体进入电池堆后，经过进气歧管的分配流入各单电池的流道入口处，与此同时，各单电池流道出口经过化学反应后剩余的尾气则汇集到排气歧管后一并排出。
2）气体供给子系统
气体供给子系统分为氢气供给子系统和空气供给子系统两大部分。
a)氢气供给子系统
氢气作为电池堆的阳极反应气体，其流量大小直接影响了输出功率以及能量利用率。根据阳极尾气的不同处理方式，氢气供给子系统通常可分为三种模式：流通模式、死端模式以及循环模式。
b）空气供给子系统
空气经由滤清器去除颗粒杂质，借助空气压缩机达到一定的质量流量与压强，之后经过中冷器降温、加湿器加湿后进入电堆。由于空气压缩机出口的高温空气一方面加重了加湿器的负担（水蒸气的饱和蒸气压随着温度的升高而增加），另一方面，温度过高的空气容易把电池堆中各单电池流道入口区域的膜电极吹干，因此，空气压缩机的下游通常设置有中冷器（散热器）。电池堆阴极入口前段及出口后端通常还设置有控制阀，其主要目的是避免系统停机后管道中空气进入电池堆造成的碳腐蚀等问题。阴极尾气通常由排气阀直接排入大气中，也有研究者提出在系统中增加阴极循环回路以回收利用尾气中的水蒸气以降低电池堆对于外部加湿器的依赖性。阴极尾气在排入大气之前，一般要通过水气分离器分离出可能含有的液态水以避免液态水对排气阀的堵塞。
气体供给子系统不仅决定了电池堆的性能表现，而且在较大程度上影响了系统的净输出功率。
3)加湿子系统
为了使膜电极维持良好的质子传导率， 流入电池堆的反应气体通常需要加湿，燃料电池系统的加湿技术主要有自增湿、内增湿和外增湿三种。自增湿技术主要通过采用自增湿膜，优化电池结构设计等途径来实现，不需要额外装置并且无功率消耗。内增湿技术增加了电池堆的结构复杂性并且降低了其功率密度。外增湿技术需要额外的加湿装置并有可能产生一定的能耗，其中喷雾加湿，焓轮加湿与膜加湿器技术在实际系统中均有运用。
4)热管理子系统
热管理子系统旨在控制和优化热量传递过程，减少废热排放，提高能源利用效率并改善整个动力系统的性能。质子交换膜燃料电池运行温度较低， 其与环境之间的自然对流换热与辐射换热能力有限，约60~70%的热量需要借助冷却系统排出。热管理系统除了通过散热（或冷却）维持电池堆稳定的工作温度，还必须减小单电池之间的温度差异，保证其温度的均一性。
热管理子系统主要包括冷却液、散热器、循环水泵、冷却水箱、节温器、温度监测设备等，如图4所示。冷却液在循环水泵的作用下从水箱中抽出，流经空气供给子系统中的增压中冷器，随后流经电池堆以带走电堆中产生的热量，冷却液的热量则通过散热器散失到空气中。
图4 热管理子系统示意图
热管理子系统除了影响系统的输出性能外，对于系统的耐久性与寿命也很重要。因此，保证电池堆以及系统各零部件维持在适宜的运行温度，尽可能降低电池堆内的温度不均匀性，增强燃料电池系统的冷启动能力等都是热管理子系统必须解决的重要问题。
一文读懂氢储能技术
