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氫儲能是一種新型儲能，來源豐富、清潔無碳、高效可再生，在能量維度、時間維度和空間維度上具有突出優(yōu)勢，是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。氫儲能既可以儲電，又可以儲氫及其衍生物（如氨、甲醇）。狹義的氫儲能是基于“電?氫?電”的轉(zhuǎn)換過程，主要包含電解槽、儲氫罐和燃料電池等裝置。利用低谷期富余的新能源電能進(jìn)行電解水制氫，儲存起來或供下游產(chǎn)業(yè)使用；在用電高峰期時，儲存起來的氫能可利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電并入公共電網(wǎng)。廣義的氫儲能強(qiáng)調(diào)“電?氫”單向轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲氫氣，或者轉(zhuǎn)化為甲醇和氨氣等化學(xué)衍生物進(jìn)行更安全地儲存。
氫儲能技術(shù)被認(rèn)為是極具潛力的新型大規(guī)模儲能技術(shù)，適用于極短或極長時間能量儲備的技術(shù)方式。與化學(xué)電池儲能類似，氫氣儲能技術(shù)的外部環(huán)境依賴性小，項目建設(shè)選址方便、環(huán)境影響小，但是與其他儲能技術(shù)相比，其能量轉(zhuǎn)換效率偏低，成本高，商業(yè)化應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)仍存在不少瓶頸。

一、氫的來源分類

氫氣按照其生產(chǎn)來源分為四種：灰氫、藍(lán)氫、藍(lán)綠氫和綠氫。

1）灰氫

灰氫是用化石燃料生產(chǎn)的（即利用蒸氣甲烷重整或煤氣化從甲烷中生產(chǎn)的氫）。在灰氫制取過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳排放，因此，這種制氫技術(shù)不適合實現(xiàn)凈零排放。

2）藍(lán)氫

藍(lán)氫是由蒸汽甲烷重整或帶（85%-95%）碳捕捉的煤氣化而得來的氫。在能源轉(zhuǎn)型的早期階段，使用藍(lán)氫可以促進(jìn)氫市場的發(fā)展。目前大約四分之三的氫由天然氣生產(chǎn)，碳捕捉的改造可以允許繼續(xù)使用現(xiàn)有資產(chǎn)，同時實現(xiàn)更低的溫室氣體排放。這是—種選擇，即以較低的溫室氣體排放生產(chǎn)氫，同時減輕可再生能源裝機(jī)容量比率在生產(chǎn)綠氫方面的壓力。然而，到目前為止，藍(lán)氫也有其局限性：它使用的資源較為有限，易受化石燃料價格波動的影響，并且不能從根本上解決能源安全的需求。這也意味著，盡管藍(lán)氫燃料可以減少二氧化碳排放，但它不能滿足未來凈零排放的要求。基于這些原因，藍(lán)氫只能被視為一個短期過渡，以促進(jìn)綠氫的發(fā)展。

3）藍(lán)綠氫

藍(lán)綠氫是采用天然氣為原料的的產(chǎn)氫方法，在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生二氧化碳，甲烷中的碳通過熱裂解過程固化為炭黑，而炭黑的市場已經(jīng)存在，藍(lán)綠氫生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的炭黑也提供了額外的收入來源，并且炭黑比氣態(tài)二氧化碳更容易存儲，目前，藍(lán)綠氫仍處于示范階段。

4）綠氫

綠氫是通過可再生電力經(jīng)電解水方法生產(chǎn)的氫氣，制取過程不產(chǎn)生二氧化碳是最適合實現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型，通過電解水生產(chǎn)綠氫符合凈零路線，允許利用行業(yè)耦合的協(xié)同效應(yīng)，從而降低技術(shù)成本，為電力系統(tǒng)提供靈活性。波動性可再生能源的低成本和技術(shù)改進(jìn)降低了綠氫的生產(chǎn)成本。因此，水電解產(chǎn)生的綠氫越來越受到人們的關(guān)注。目前綠氫的制取成本較高，降低成本是發(fā)展綠氫利用的主要目標(biāo)。

二、氫燃料電池

在新能源和清潔能源中，水力能、風(fēng)力能、太陽能、生物質(zhì)能、核能和燃料電池等領(lǐng)域得到人們的廣泛關(guān)注與研究。其中，燃料電池由于其啟動快、效率高、噪聲低和污染小等方面的特點而得到了越來越多的重視。

燃料電池是將儲存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于工作時燃料是通過電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)換與傳遞的，因此具有很高的效率，是傳統(tǒng)燃燒效率的二到三倍左右。同時使用氫作為燃料時，燃料電池可以完全實現(xiàn)無污染的電能供給，唯一的其它產(chǎn)物是水。再加上其噪聲小和啟動快等優(yōu)點，燃料電池是一種十分理想的能量轉(zhuǎn)換與供給裝置。

燃料電池根據(jù)其結(jié)構(gòu)、工作原理的不同可以分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。質(zhì)子交換膜燃料電池以其高功率密度、零排放、低噪聲等優(yōu)點，獲得了廣泛的應(yīng)用，也成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)之一。

圖2為質(zhì)子交換膜燃料電池（以下稱氫燃料電池）的基本構(gòu)成及其工作原理示意圖，其結(jié)構(gòu)較為簡單，主要部件包括流場板、氣體擴(kuò)散層、微孔層、催化層（及質(zhì)子交換膜等，如圖2（a）所示，除流場板外，其余7個部分實際上都是一種多孔結(jié)構(gòu)。如圖2（b）所示，質(zhì)子交換膜燃料電池工作過程中陽極與陰極催化層中分別發(fā)生如下的電化學(xué)反應(yīng)：
三、氫燃料電池供電系統(tǒng)構(gòu)架

氫燃料電池系統(tǒng)主要包括燃料電池堆、氣體供給子系統(tǒng)、加濕子系統(tǒng)以及熱管理子系統(tǒng)，典型的燃料電池系統(tǒng)示意圖如圖3所示。各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合，保證了電池堆的高效穩(wěn)定運行。

1）氫燃料電池堆

氫燃料電池堆作為系統(tǒng)核心部件將反應(yīng)氣體的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15 K，101325 Pa）以氫氧反應(yīng)的產(chǎn)物水是液態(tài)為例，單片電池的理論電壓（稱為能斯特電壓）僅為1.23V。為了滿足實際燃料電池產(chǎn)品（如車載燃料電池動力系統(tǒng)）的功率需求，燃料電池堆通常由幾十甚至幾百片單電池串聯(lián)（或混聯(lián)）而成，如豐田燃料電池汽車Mirai的電池堆由370片單電池串聯(lián)而成，能夠?qū)崿F(xiàn)114kW的最大輸出功率并且達(dá)到3.1kW/L的功率密度。

典型的燃料電池堆包括若干片單電池、進(jìn)排氣歧管、冷卻液歧管、集流板、絕緣板、端板、密封墊圈以及裝配緊固件等。當(dāng)反應(yīng)氣體進(jìn)入電池堆后，經(jīng)過進(jìn)氣歧管的分配流入各單電池的流道入口處，與此同時，各單電池流道出口經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后剩余的尾氣則匯集到排氣歧管后一并排出。

2）氣體供給子系統(tǒng)

氣體供給子系統(tǒng)分為氫氣供給子系統(tǒng)和空氣供給子系統(tǒng)兩大部分。

a)氫氣供給子系統(tǒng)

氫氣作為電池堆的陽極反應(yīng)氣體，其流量大小直接影響了輸出功率以及能量利用率。根據(jù)陽極尾氣的不同處理方式，氫氣供給子系統(tǒng)通常可分為三種模式：流通模式、死端模式以及循環(huán)模式。

b）空氣供給子系統(tǒng)

空氣經(jīng)由濾清器去除顆粒雜質(zhì)，借助空氣壓縮機(jī)達(dá)到一定的質(zhì)量流量與壓強(qiáng)，之后經(jīng)過中冷器降溫、加濕器加濕后進(jìn)入電堆。由于空氣壓縮機(jī)出口的高溫空氣一方面加重了加濕器的負(fù)擔(dān)（水蒸氣的飽和蒸氣壓隨著溫度的升高而增加），另一方面，溫度過高的空氣容易把電池堆中各單電池流道入口區(qū)域的膜電極吹干，因此，空氣壓縮機(jī)的下游通常設(shè)置有中冷器（散熱器）。電池堆陰極入口前段及出口后端通常還設(shè)置有控制閥，其主要目的是避免系統(tǒng)停機(jī)后管道中空氣進(jìn)入電池堆造成的碳腐蝕等問題。陰極尾氣通常由排氣閥直接排入大氣中，也有研究者提出在系統(tǒng)中增加陰極循環(huán)回路以回收利用尾氣中的水蒸氣以降低電池堆對于外部加濕器的依賴性。陰極尾氣在排入大氣之前，一般要通過水氣分離器分離出可能含有的液態(tài)水以避免液態(tài)水對排氣閥的堵塞。

氣體供給子系統(tǒng)不僅決定了電池堆的性能表現(xiàn)，而且在較大程度上影響了系統(tǒng)的凈輸出功率。

3)加濕子系統(tǒng)

為了使膜電極維持良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率， 流入電池堆的反應(yīng)氣體通常需要加濕，燃料電池系統(tǒng)的加濕技術(shù)主要有自增濕、內(nèi)增濕和外增濕三種。自增濕技術(shù)主要通過采用自增濕膜，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計等途徑來實現(xiàn)，不需要額外裝置并且無功率消耗。內(nèi)增濕技術(shù)增加了電池堆的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并且降低了其功率密度。外增濕技術(shù)需要額外的加濕裝置并有可能產(chǎn)生一定的能耗，其中噴霧加濕，焓輪加濕與膜加濕器技術(shù)在實際系統(tǒng)中均有運用。

4)熱管理子系統(tǒng)

熱管理子系統(tǒng)旨在控制和優(yōu)化熱量傳遞過程，減少廢熱排放，提高能源利用效率并改善整個動力系統(tǒng)的性能。質(zhì)子交換膜燃料電池運行溫度較低， 其與環(huán)境之間的自然對流換熱與輻射換熱能力有限，約60~70%的熱量需要借助冷卻系統(tǒng)排出。熱管理系統(tǒng)除了通過散熱（或冷卻）維持電池堆穩(wěn)定的工作溫度，還必須減小單電池之間的溫度差異，保證其溫度的均一性。

熱管理子系統(tǒng)主要包括冷卻液、散熱器、循環(huán)水泵、冷卻水箱、節(jié)溫器、溫度監(jiān)測設(shè)備等，如圖4所示。冷卻液在循環(huán)水泵的作用下從水箱中抽出，流經(jīng)空氣供給子系統(tǒng)中的增壓中冷器，隨后流經(jīng)電池堆以帶走電堆中產(chǎn)生的熱量，冷卻液的熱量則通過散熱器散失到空氣中。
熱管理子系統(tǒng)除了影響系統(tǒng)的輸出性能外，對于系統(tǒng)的耐久性與壽命也很重要。因此，保證電池堆以及系統(tǒng)各零部件維持在適宜的運行溫度，盡可能降低電池堆內(nèi)的溫度不均勻性，增強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)的冷啟動能力等都是熱管理子系統(tǒng)必須解決的重要問題。 

原標(biāo)題：一文讀懂氫儲能技術(shù)