日置科技吳胤舜：電性能檢測技術(shù)在燃料電池和氫能行業(yè)的應用
日置（上海）科技發(fā)展有限公司 研發(fā)經(jīng)理吳胤舜作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(huì )”在中國上海隆重舉行。中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )理事長(cháng)劉寶生、中國工程院院士彭蘇萍、中國科學(xué)院院士孫世剛、上海市嘉定區副區長(cháng)李峰等出席峰會(huì )，來(lái)自行業(yè)主管部門(mén)、高校、科研機構和產(chǎn)業(yè)鏈知名企業(yè)，以及外賓代表共300余人與會(huì )。
日置(上海)科技發(fā)展有限公司 研發(fā)經(jīng)理吳胤舜在會(huì )上作題為《電性能檢測技術(shù)在燃料電池和氫能行業(yè)的應用》的演講。
以下是發(fā)言?xún)热輰?shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
吳胤舜(日置(上海)科技發(fā)展有限公司研發(fā)經(jīng)理)：尊敬的各位領(lǐng)導，來(lái)賓，大家早上好，我是來(lái)自日置上?？萍及l(fā)展有限公司的吳胤舜，今天給大家分享的主題是電性能檢測技術(shù)在燃料電池和氫能行業(yè)的應用。
整體分三個(gè)部分，氫能生態(tài)用于氫能的電性能檢測技術(shù)和公司介紹。首先簡(jiǎn)單介紹一下氫能生態(tài)，大家應該都有所體會(huì )氫能不單單是一個(gè)燃料電池或者電解槽的一個(gè)行業(yè)，它其實(shí)是跨領(lǐng)域綜合性的行業(yè)，圖示引用日本2020年發(fā)布的碳中和2050計劃產(chǎn)業(yè)布局圖，其中藍色的箭頭是氫能，橙色的箭頭是代表電力，布局的話(huà)涉及氫能的可再生能源制氫，航運、儲存、加氫包括終端的家用或者汽車(chē)用的燃料電池等?？梢?jiàn)氫能作為一種新型能源，未來(lái)的話(huà)它其實(shí)可能和電能并存構建一個(gè)龐大的能源網(wǎng)絡(luò )。
公司本身是電信號測試與級表的行業(yè)，在光伏鋰電汽車(chē)等等都已經(jīng)有很多成熟的測試方案，我們現在也正在將過(guò)去在其他領(lǐng)域的測試方案復制到氫能行業(yè)，接下來(lái)我會(huì )主要給大家介紹一下我們已經(jīng)應用于氫能行業(yè)的應用發(fā)展，以供大家未來(lái)在生產(chǎn)或者實(shí)驗中借鑒參考。
首先從制氫端開(kāi)始，近年來(lái)氫電耦合這么一個(gè)概念其實(shí)是氫能的熱點(diǎn)話(huà)題，源端制氫可以幫助消納系的部分豐富的光電能源，盡管氫電耦合建設關(guān)注，但由于研究其實(shí)還處于初期，其實(shí)它在行業(yè)里還有一些痛點(diǎn)的問(wèn)題存在，包括像可再生能源制氫量低，占比少，甚至制氫端比較難適應風(fēng)光的不穩定性和間歇性。
對于小功率的系統來(lái)說(shuō)，我們簡(jiǎn)單通過(guò)儲能電池可能可以消除風(fēng)光的波動(dòng)，但隨著(zhù)整體功率的上升以及長(cháng)期波動(dòng)的存在，我們單純的儲能手段是無(wú)法徹底解決這個(gè)問(wèn)題，需要系統性去控制電解槽的開(kāi)關(guān)與時(shí)延波動(dòng)，想要提供可再生能源的性能，除了提升電解槽本身性能以外，我們也需要對風(fēng)光系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，通過(guò)數據去建立控制模型與實(shí)時(shí)電解槽優(yōu)化。
我們公司之前針對風(fēng)光發(fā)電能源轉化效率、儲能系統、儲能電池評估、并網(wǎng)電能質(zhì)量等等都已經(jīng)有成熟的應用場(chǎng)景，向風(fēng)光制氫風(fēng)光部分就可以直接使用這個(gè)方案，圖式是我們之前針對鋰電行業(yè)進(jìn)行的測試方案，基本涵蓋從漿料到出貨整個(gè)測試需求，鋰電池和電解槽某些方面有相似性，我們在鋰電行業(yè)使用的測量技術(shù)也可以直接運用到氫能行業(yè)當中來(lái)。
接下來(lái)我會(huì )詳細介紹一下我們過(guò)去用于鋰電行業(yè)或者其他行業(yè)現在正復制擴展到氫能行業(yè)的一些特殊技術(shù)。
首先是漿料測試，漿料測試是我們原先針對鋰電進(jìn)行的一個(gè)開(kāi)發(fā)，鋰電池漿料基本決定電池最終的容量和性能，如果在前期漿料的階段就能針對漿料判斷它的性能好壞就可以節省大量的返工時(shí)間，因此我們針對漿料推出這么一個(gè)專(zhuān)用的測試數據和分析軟件。
以電子傳導性的角度來(lái)推測漿料的混合狀態(tài)，PPT中圖式的體現漿料的導電材料構成的網(wǎng)絡(luò )構建性和它的均勻性，將構建程度和均勻性同時(shí)都比較高的時(shí)候，我們就把它判定為良好的漿料，漿料本身也能夠進(jìn)行組抗測試，其測試值結合上述的兩個(gè)參數就可以對漿料組成生成的條件和確認考察有所幫助。
相似的燃料電池和電解槽的隔膜，催化劑也決定了這些性能的好壞，如果我們在前期制料的時(shí)候就能通過(guò)這個(gè)測試去判斷漿料的好壞，也能幫助我們去更早的發(fā)現問(wèn)題，節省后續返工的時(shí)間。
其次電阻測試在鋰電池半導體領(lǐng)域都是比較成熟的測試需求，比較經(jīng)典的測試方法，包括四探針測試和貫通電阻測試法，四探針?lè )ㄖ挥盟母绕D巨的探針去扎到被測試的表面，外側兩邊是通過(guò)測試電流，中間兩根探針測的電壓根據被測物的厚度，面積修正之后算出表面電阻率，而垂直電阻的話(huà)是通過(guò)上下兩個(gè)原型電池將被測物壓住后直接進(jìn)行測試，應用案例其實(shí)比較成熟，我們在近幾年的實(shí)際運營(yíng)中也發(fā)現向四探針測試法實(shí)際上有一定的局限性，對于單種材料，單層被測物、測探針?lè )ㄊ强梢苑€定準確側出表面振組的結果的，但如果測試物是雙層材料比如說(shuō)涂布后的電極之類(lèi)的，由于兩層材料之間存在接觸電阻，如果只是用四探針?lè )ㄊ菬o(wú)法去除接觸電阻的影響的。
那么測試結果可能存在重復性，但是它并不能真實(shí)的反映我們想要測的表面電阻結果，所以根據我們自己的研究，我們就推出了右邊這款產(chǎn)品，它其實(shí)是在一平方毫米的區域里布了46根探針，通過(guò)短時(shí)間內多次的進(jìn)行兩兩探針之間的電阻測試，進(jìn)行耦合重復計算去推測出兩層材料分別準確的電阻率。
對于燃料電池碳質(zhì)在國標中有明確的要求需要去測表面電阻率和整個(gè)的垂直的電阻率，因此如果簡(jiǎn)單的去做一些碳質(zhì)的出貨檢測我們推薦直接使用左側四探針?lè )ň涂梢?，但是比如說(shuō)像實(shí)驗室想要進(jìn)一步去研究復雜材料特性我們推薦右邊這款產(chǎn)品會(huì )比較好。
包括隔膜這樣的產(chǎn)品一般都會(huì )要求去進(jìn)行絕緣性能的檢測判斷膜間是不是會(huì )有破損、短路的情況存在，那么就可以通過(guò)高阻去進(jìn)行絕緣性能的檢測，同樣在絕緣性能測試中也存在平面電阻率和垂直電阻率，與剛剛提到導彈性能的電阻率的區別就在于，導電性能測試中它的電阻率其實(shí)是一個(gè)基礎的狀態(tài)，它的測試信號也是小電壓、小電流，但是在絕緣性能中一般是高負荷的狀態(tài)，測試信號也比較大，電壓的話(huà)最大可以達到2千伏。
這個(gè)時(shí)候四探針?lè )ň筒贿m用于我們高阻的測試，因為它的安全性能等等，所以我們使用的左邊的原型電極去進(jìn)行一個(gè)測試。
右邊的電阻測試儀在燃料電池組裝完之后可以進(jìn)行一個(gè)初步簡(jiǎn)單的定頻一千赫茲內阻判斷，向這款產(chǎn)品在鋰電行業(yè)，包括現在在燃料電池行業(yè)，只是都運用的比較廣泛，我就不過(guò)多的給大家進(jìn)行介紹。
想必大家對EI測試并不陌生，我們實(shí)驗室一般會(huì )用電化學(xué)工作站對燃料電池進(jìn)行工作驗證，實(shí)際上電化學(xué)工作站在測動(dòng)態(tài)內阻的時(shí)候并不準確，云的話(huà)是在于電化學(xué)工作站的原理其實(shí)是向外發(fā)出一個(gè)信號，一方面可能會(huì )將工作狀態(tài)下直流負載或者電源的內部特性一起測到我們的測試結果中一方面它的交流信號又會(huì )引起直流負載或者說(shuō)電源不穩定，導致我們測試的結果可能帶著(zhù)噪聲，我們現在市面上比較認可的一種方式的話(huà)是用激勵負載的形式，激勵負載不會(huì )影響輸出，也可以測到真正流過(guò)燃料電池或者電解槽的電流通過(guò)計算得到真實(shí)的組抗值。
那么面向燃料電池生產(chǎn)的不同的步驟，對ES測試的需求也是不一樣，它想看到的結果也是不一樣的，我們公司其實(shí)也針對ES有相關(guān)的產(chǎn)品，原理的話(huà)是交流激勵信號測試，但是我們在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，跟客戶(hù)的溝通過(guò)程中，發(fā)現在實(shí)際的測試中可能現在目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品存在以下三個(gè)痛點(diǎn)，激勵電流比較大的時(shí)候會(huì )對電堆電解槽產(chǎn)生不可逆的影響，但是激勵電流過(guò)小的話(huà)可能無(wú)法穩定的去進(jìn)行測試。
包括電流精度、偏差會(huì )對測試結果有一定，國產(chǎn)的大功率負載噪聲過(guò)大等等會(huì )導致測試的結果不穩定。那么我們是通過(guò)PPT中提到的這些手法去解決這個(gè)問(wèn)題的，首先的話(huà)我們是通過(guò)高分辨率的電壓測試模塊去保證小信號的這么一個(gè)測試問(wèn)題，在電流測試的方向的話(huà)是通過(guò)零磁通的傳感器，將電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行抵消，保證我們電流在寬頻范圍以?xún)瓤梢苑€定準確進(jìn)行測試，也保證即使測出來(lái)的導線(xiàn)位于傳感器不同的位置，結果也能保持一致。
噪聲方面我們是通過(guò)信號處理的手段，將測試結果中噪聲的部分剔除，提取相應的部分已保證測試結果的穩定性。
電流分布測試其實(shí)是最近比較受大家關(guān)注的一個(gè)話(huà)題，在燃料電池電解槽的運行過(guò)程中電池內部它的水含量實(shí)際上有時(shí)候可能會(huì )發(fā)生水淹的故障，或者是水含量不足導致摩干的故障。氣體框架層和流道的水淹會(huì )使得氣體反應物去到達反應位置的傳輸受阻，催化劑的活性面積也會(huì )因為水而導致降低，那么我們摩干故障本身會(huì )引起電阻率的上升，使燃料電池在運行的過(guò)程中產(chǎn)熱增加進(jìn)一步導致能量轉化效率降低，或者說(shuō)更嚴重的故障，在過(guò)去因為是沒(méi)有直接的可以去觀(guān)測內部問(wèn)題的手段，大多數通過(guò)仿真的形式，或者是事后分析的形式去解決這個(gè)問(wèn)題，我們現在通過(guò)電流分布它就可以直觀(guān)的去看到發(fā)生故障的位置所在，然后通過(guò)結合電流分布的結果我們就可以去進(jìn)行分析，去改善材料或者說(shuō)生產(chǎn)的內部結構。
能量流測試是我們過(guò)去在汽車(chē)行業(yè)比較成熟的一個(gè)方案，能量流測試其實(shí)就是整體、整車(chē)能量傳輸路徑以及在傳遞過(guò)程中傳輸的效率或者能耗的情況，對于燃料電池汽車(chē)它能量管理的策略應該就是能夠合理的分配燃料或者動(dòng)力電池它的功率輸出，去優(yōu)化兩者的效率，降低清晰的消耗提升系統的性能。
那么專(zhuān)業(yè)的能量流測試，可以幫助我們了解各系統的能耗，以及包括能量的轉化效率可以去進(jìn)行針對性的改進(jìn)設計。
上面的話(huà)其實(shí)就是簡(jiǎn)單介紹一下我們目前針對氫能源行業(yè)能夠提供的一些測試方案，有一些數據保密性的原因，包括時(shí)長(cháng)的原因我們并沒(méi)有在PPT添加更多的實(shí)測的數據，如果大家有機會(huì )想要去進(jìn)一步了解的話(huà)，我們在外面也有展臺可以跟我們進(jìn)行一下深入的探討。
最后簡(jiǎn)單介紹一下我們的公司，日置集團創(chuàng )立于1935年是全球電力行業(yè)的領(lǐng)跑者，我們公司秉承測量無(wú)止境的理念，專(zhuān)注于電氣測量?jì)x器的研發(fā)和生產(chǎn)，為全球的客戶(hù)提供測量解決方案。
今后我們也會(huì )繼續實(shí)現脫碳零排放的可持續發(fā)展，將開(kāi)發(fā)的資源集中在電動(dòng)汽車(chē)、電池、氫能這樣的新能源體系的重要市場(chǎng)中，并通過(guò)提供領(lǐng)先一步的測量解決方案，為市場(chǎng)增長(cháng)作出貢獻。
我們憑借專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)先測量解決方案，并且通過(guò)全球七大區的海外分公司及合作伙伴，向客戶(hù)普及正確的測量理念，助力先進(jìn)制造業(yè)及社會(huì )各行各業(yè)的創(chuàng )新升級，為構建安全智能化和人性化的社會(huì )貢獻力量，卓越于全球各個(gè)領(lǐng)域，為安全便捷的社會(huì )生產(chǎn)生活提供可創(chuàng )獨創(chuàng )的測量解決方案。
我們的總部日置上海測量技術(shù)有限公司成立于2007年，是日置集團百分之百出資的子公司，旗下現在設有本土研發(fā)公司日置上?？萍及l(fā)展有限公司和銷(xiāo)售公司，日置上海測量?jì)x器有限公司，除上海外我們全國各地共設10個(gè)分公司和事務(wù)所，如果大家有興趣的話(huà)都可以直接去聯(lián)系當地我們的辦事處。
以上就是我今天給大家發(fā)表的全部?jì)热?，如果大家對測試測量有需求的話(huà)，歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們。謝謝。
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