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化学储能是电化学储能技术的延伸，利用电能将低能物质转化为高能物质进行存储，从而实现储能。目前常见的化学储能主要包括氢储能和合成燃料（甲烷、甲醇等）储能。这些储能载体本身是可以直接利用的燃料，因此，化学储能与前述其他电储能技术（输入输出均为电能）存在明显区别：如果终端可以直接利用氢、甲烷等物质，如氢燃料电池汽车、热电联供、化工生产等，这些储能载体不必再转化回电力系统的电能，可以提高整体用能效率，相当于从存储“二次能源”变成存储“三次能源”。因此，化学储能往往是能源形式转化过程中的重要环节。
目前，在化学储能技术中，氢储能相对成熟，依托电解水制氢设备和氢燃料电池（或掺氢燃气轮机）实现电能和氢能的相互转化。储能时，利用富余电能电解水制氢并存储，释能时，用氢燃料电池或氢发电机发电。氢能的利用涉及制取、存储、运输和应用等环节。
氢气商业化制取主要有以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢，以焦炉煤气、氯碱尾气提纯为代表的工业副产气制氢和电解水制氢三种形式，各类制氢方式的技术特征见表1-1。化石能源重整制氢是目前最主要的制氢方法，全球占比约95%。国外以天然气制氢为主，我国以煤制氢为主，成本为6～10元/kg，年供氢能力在千万吨级至亿吨级，是最为经济的方式。
近年来，电解水制氢技术成为研究热点，其在系统安全、电气安全、设备安全等方面已经形成了完善的设计标准体系和管理规范。电解水制氢成本与用电成本、设备利用率和设备造价密切相关，其中，电费在总成本中占比可达70%～80%，随着设备利用率的下降，电解水制氢成本将会显著上升。综合考虑经济性、技术成熟度、产业体制机制等因素，按照目前的发展趋势，我国近期将以工业副产气制氢为主，中长期以可再生能源制氢为发展方向。
表1-1 制氢方式的技术特征
目前储氢方式主要有气态、液态和固态储氢，各类储氢方式的技术特征见表1-2。传统的高压气态储氢以及高压绝热的液态储氢技术，在安全性、经济性、方便性等方面都不理想。相较而言，固体储氢材料较为安全且高效，但该方法能耗高，储能效率低，需要复杂且高成本的储氢设备。短期内，高压气态储氢仍是主要的储氢手段。但从长远来看，轻质储氢材料、固态储氢材料等低压或常压储氢材料将成为未来发展的重点。
表1-2 储氢方式的技术特征
根据H2 stations发布的第12次全球加氢站评估报告，截至2019年年底，全球共有在运加氢站432座，其中330座向公众开放。根据氢气的来源，加氢站可分为外供氢加氢站和内制氢加氢站。外供氢加氢站根据氢气存储的方式不同，又可进一步分为高压气氢站和液氢站，全球约30%为液氢站，且主要分布在美国和日本，而我国现阶段全部为高压气氢站。站内制氢加氢站则是在站内建有制氢系统，欧洲站内制氢加氢站较多，我国由于化工用地比较紧张，内制氢加氢站几乎没有。
氢气与空气混合能形成爆炸性混合物，目前主要使用传感器检测微量氢气并报警。氢气泄漏带来的安全问题主要通过建立加氢站安全保护系统进行防护，包括周界、消防、监控、火焰监测等子系统，防止加氢时由于氢气泄漏带来的安全问题。氢能的安全性是社会各界关注的重点。近年来，我国积极开展氢能安全性研究和相关标准制定工作，开展了高压氢气泄漏扩散、氢气瓶耐火性能、高压氢喷射火、氢爆燃爆轰、氢泄爆、氢阻火等研究。但总体而言，国内氢安全研究刚刚起步，投入较少，安全检测能力和保障技术滞后于氢能产业发展的需要，缺乏具有第三方公正地位的实验室，与国际先进水平相比有不小的差距。
氢燃料电池是氢能应用的重点方向，其基本原理是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能。在各种类型的氢燃料电池中，质子交换膜燃料电池最具发展前景，其核心材料为固态离子交换膜。目前，已商业化的全氟磺酸质子交换膜有美国的Nafion膜、Dow膜，日本的Aciplex膜和Flemion膜等。质子交换膜燃料电池的电堆造价为1000～3000美元/kW，电堆成本约占系统总成本的60%。而当前锂离子电池模块（类似燃料电池电堆）成本为300～400美元/kW，系统成本为450～600美元/kW。推高燃料电池造价的主要原因是贵金属催化剂和全氟磺酸膜价格昂贵。贵金属催化剂起到催化电化学反应的作用；全氟磺酸膜的功能是隔离氢燃料与氧化剂，传递氢质子。降低催化剂中铂的用量、开发非贵金属催化剂及价格低廉的非氟质子交换膜是降低成本的关键。