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氫儲(chǔ)能是一種新型儲(chǔ)能，來(lái)源豐富、清潔無(wú)碳、高效可再生，在能量維度、時(shí)間維度和空間維度上具有突出優(yōu)勢(shì)，是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來(lái)的。氫儲(chǔ)能既可以?xún)?chǔ)電，又可以?xún)?chǔ)氫及其衍生物（如氨、甲醇）。狹義的氫儲(chǔ)能是基于“電?氫?電”的轉(zhuǎn)換過(guò)程，主要包含電解槽、儲(chǔ)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(chǔ)存起來(lái)或供下游產(chǎn)業(yè)使用；在用電高峰期時(shí)，儲(chǔ)存起來(lái)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存。
氫儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是極具潛力的新型大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，適用于極短或極長(zhǎng)時(shí)間能量?jī)?chǔ)備的技術(shù)方式。與化學(xué)電池儲(chǔ)能類(lèi)似，氫氣儲(chǔ)能技術(shù)的外部環(huán)境依賴(lài)性小，項(xiàng)目建設(shè)選址方便、環(huán)境影響小，但是與其他儲(chǔ)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(gè)環(huán)節(jié)仍存在不少瓶頸。

一、氫的來(lái)源分類(lèi)

氫氣按照其生產(chǎn)來(lái)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(guò)程中會(huì)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(shí)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(lái)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(chǎng)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(shí)實(shí)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(shí)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(jià)格波動(dòng)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(mǎn)足未來(lái)凈零排放的要求。基于這些原因，藍(lán)氫只能被視為一個(gè)短期過(guò)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(guò)程中不產(chǎn)生二氧化碳，甲烷中的碳通過(guò)熱裂解過(guò)程固化為炭黑，而炭黑的市場(chǎng)已經(jīng)存在，藍(lán)綠氫生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的炭黑也提供了額外的收入來(lái)源，并且炭黑比氣態(tài)二氧化碳更容易存儲(chǔ)，目前，藍(lán)綠氫仍處于示范階段。

4）綠氫

綠氫是通過(guò)可再生電力經(jīng)電解水方法生產(chǎn)的氫氣，制取過(guò)程不產(chǎn)生二氧化碳是最適合實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型，通過(guò)電解水生產(chǎn)綠氫符合凈零路線(xiàn)，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(dòng)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(lái)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(yáng)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(dòng)快、效率高、噪聲低和污染小等方面的特點(diǎn)而得到了越來(lái)越多的重視。

燃料電池是將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于工作時(shí)燃料是通過(guò)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(shí)使用氫作為燃料時(shí)，燃料電池可以完全實(shí)現(xiàn)無(wú)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(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(chēng)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(jiǎn)單，主要部件包括流場(chǎng)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(chǎng)板外，其余7個(gè)部分實(shí)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(guò)程中陽(yáng)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(yùn)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(chēng)為能斯特電壓）僅為1.23V。為了滿(mǎn)足實(shí)際燃料電池產(chǎn)品（如車(chē)載燃料電池動(dòng)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(chē)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(guò)進(jìn)氣歧管的分配流入各單電池的流道入口處，與此同時(shí)，各單電池流道出口經(jīng)過(guò)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(yáng)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(yáng)極尾氣的不同處理方式，氫氣供給子系統(tǒng)通?？煞譃槿N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(guò)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(guò)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(wèn)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(duì)于外部加濕器的依賴(lài)性。陰極尾氣在排入大氣之前，一般要通過(guò)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(duì)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(guò)采用自增濕膜，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要額外裝置并且無(wú)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(shí)際系統(tǒng)中均有運(yùn)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(guò)程，減少?gòu)U熱排放，提高能源利用效率并改善整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的性能。質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行溫度較低， 其與環(huán)境之間的自然對(duì)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(guò)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(cè)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(guò)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(duì)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(yùn)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(dòng)能力等都是熱管理子系統(tǒng)必須解決的重要問(wèn)題。 

原標(biāo)題：一文讀懂氫儲(chǔ)能技術(shù)