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3 典型氢燃料电池系统示意图

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。

1、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。

2、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。

四、氢储能的优劣势

氢储能与其他储能方式相比，在能量维度、时间维度和空间维度上具有突出优势，可在长时储能中发挥重要作用。在用电低谷期时，可通过利用低谷期富余的新能源电能进行电解水制氢，储存起来或者供下游产业使用；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。

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。

五、发展阶段

我们从传统的化石能源，如石油和煤炭将会过渡到可再生清洁能源，如风，光，氢，核能如光热、水电、生物质 ，二甲醚等，氢能如电能一样，是一个二次能源。当前，大部分能源已经电力化了。当交通工具电动化完成后，而电力目前还是最佳的能源形式。氢能在未来是重要的补充能源。

在全球探明储量的石油天然气煤炭按当前消耗速度，石油储量仅仅够用50年、天然气够用50.2年，煤炭够用134年。当50年后，石油天然气耗尽，如果没有更多商业开采探明储量。化石能源工业将在百年内消失。未来我们要开发更多可再生能源。

可以在东部发展氢储能，西部制氢。未来10%的可再生能源要通过长时储能解决，主体就要氢储能。当前光伏发电占比到15,3%，但可以预见未来30年内，光伏发电电量将取代火电。光伏发电的度电成本低于火电，但没有阳光就没有电力，电能需要存储。如果光伏发电电量占比超过75%。那么水电、核电将无法承担储能和负荷调整的重担。因此，现在广泛的观点是让氢能储能。

制氢产业加速突破，行业步入发展快车道。" 双碳 " 时代，绿色优先，氢能因其蕴藏丰富、消耗时不产生温室气体、储存时间长等特性备受瞩目，价值日益凸显。今年以来，政策与资本都在大力开拓氢能产业，各地政府也在出台氢能方案，促使氢能发展。

据IEA数据，2022年全球氢气总产量达到9813万吨，同比增加5.5%，2030年产量有望达到17998万吨，产业发展迅速。据火石创造数据，2022年中国制氢产业总产值达到4833亿元，同比增加11%，未来随着政策及市场驱动制氢产业规模有望持续保持增长。

在绿氢制备电解方面，中国绿氢产业现在已经发展起来的就是制氢，目前在全球很不错的，中国是全球最大的氢气生产和消费市场。未来到 2030 年，可能会催生 100GW 级别的电解市场，也就是 1 亿 kW 的电解市场。尤其是中国的电解在全球具有成本优势，将来也有可能成为继光伏电池、锂电池、电动汽车这三个新能源产品之后的第四大出口产品。

本文内容来源于储能圈等公开信息，新能源技术与装备整理，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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