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氢璞创能燃料电池开发流程与产线设计全解

日期:2021-01-18    来源:高工氢电

国际新能源网

2021
01/18
11:50
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关键词: 氢璞创能 燃料电池 氢燃料电池设备

要将燃料电池电堆这款高技术门槛的产品做到“质美价廉”,绝非一日之功。作为国内电堆领先企业,氢璞创能CTO陈真博士及氢璞创能总工程师赖平化公开分别介绍了公司电堆开发流程、全自动化产线。公司自2013年起陆续建设了中国首条半自动化电堆生产线,中国首条全自动化电堆生产线,到今年智能化全自动生产线V3.0完工,充分保障了规模化高品质电堆生产。

产品与工艺开发“软实力”

截至目前,氢璞创能已经开发出了5代碳复合板电堆和3代金属板电堆。氢璞创能电堆产品以过硬的品质、更低的成本、先进的技术和批量交付能力获得了市场的广泛认可。那么,氢璞创能是如何将产品从一个概念推向市场的?

陈真介绍,氢璞产品的开发流程是按照APQP和PPAP的原则,以及一些工具来制定。APQP主要是重视产品的设计和开发,PPAP更加重视产品的工艺和生产,两者共同主要工具是DFEMA和PFEMA。整个电堆产品开发流程一共分为五个阶段,分别是概念阶段、原型机阶段、开发阶段、试产阶段和投产阶段。每一个阶段结束的时候,会根据这个阶段的资料组织综合评审,评审过关之后才能进入到下一个阶段,目的是保证开发的结果与项目的目标是完全一致。项目的目标包括客户的需求、交付时间及成本。

在概念阶段,客户的需求会被整理,翻译成工程语言,用于描述产品各方面的功能和性能。在这个阶段,会有很多的产品方案会被提出来探讨,但也有很多方案会被迅速排斥或者否定,在进入开发阶段之前只会剩下一种设计和工艺方案,直到投产为止;

原型机阶段主要目标是产品详细的设计及关键部件的核实。在这个阶段,主要着重三个方面:一是产品的可靠性,二是产品可生产性,三是产品的可维护性;

开发阶段的重点是开发和验证,用于生产这个产品的工艺,其中包括工装治具、测试设备、生产流程等。这是一个生产放大的过程,产品的设计应该在这个阶段被“冻结”;

试产阶段是利用上述生产工艺来进行小批量的生产,既要验证用上述工艺能否生产出合格的产品,也要验证产品的设计和工艺整个过程;

投产阶段的重点就是产品的发布,以及能够在应用当中极力去寻找和发现、解决遇到的问题,这是一个持续改进的过程。

陈真概括了氢璞创能电堆开发流程的四个特点:1、二八原则。尽管概念阶段仅占整个项目大概20%的时间,但对最终产品成本的影响却达到了80%;2、平行工程。产品的设计和工艺的开发是平行进行的,在产品设计的过程当中必须要考虑现有的设备和产能的限制,考虑不同的工种与产品方案的设计是不是达成了一致;3、以客户为中心。客户的满意这是最终的目标,通过持续发现问题和解决问题来达到目标;4、符合16949认证要求。这是进入供应链最低的要求,能够通过这个认证,让所有供应链的成员都有一个共同的语言。

氢璞创能做好16949认证工作的动力还在于:1、市场竞争的必要性,必须经过认证才能被下游企业所认可;2、改善企业形象和提升可信度,满足客户的需求;3、应用数据和证据供内部决策用,以提高问题解决的效率和资源利用的有效性;4、建立一个对产品质量能够持续改进的体系,让团队能够积极地参与改进产品质量。

千锤百炼,打造先进产线

在构建完善的研发和开发体系后,下一个重点是电堆产品的生产制造。在发布会现场,赖平化介绍了氢璞创能燃料电池生产线的构成,并分享了多年来打磨工艺和设计产线的心得。

氢璞创能碳基复合板燃料电池电堆生产线在广泛意义上分为3个工段,分别是复合极板成形及后处理工段、双极板总成制造工段和整堆成形制造工段。复合极板成形工段主要负责模压材料的混料、称重、上料、模压、测试、后处理等工序;双极板总成制造工段主要是处理前一工段的产品并将其生产成双极板,用于下一个工段使用;整堆组装工段是通过机械臂完成电堆的自动堆叠和在线测试,之后电堆进行全自动化捆扎处理,最后进行下线测试。

这三个工段互相匹配,同时还需要来料库、成品库、中转库、管理系统及磨合测试生产区域等功能区域配合,这些设备的综合体构成一个标准化的碳基复合板燃料电池电堆生产基地。

“我们先通过了16949体系认证,并对关键零部件供应商提出了要求,帮助他们按照16949管理体系进行生产制造的管控。同时我们会对关键部件潜在供应商进行PSA(潜在供应商评估)审核。”赖平化说,氢璞创能也建立了自己的质量控制体系,对原材料的选取、生产过程的管控、产品年度审核以及管理体系的分层审核都进行了定义和管控。

氢璞创能的生产管理理念是通过自动化设备,同时合理利用MES功能模块,完善其与ERP及WMS的信息关联,有序完成产品从订单到出货的全部管理。而PDM系统作为PLM系统的延伸,使得各个生产基地完成了数据的互联互通,保证产品的一致性。

事实上,氢璞创能的工艺定型和产线设计经过了很多“打磨”,从最初的产业化尝试到如今能够定型一套基础的生产设备体系,非常不容易:

首先是2013-2015年建设的半自动化生产线。2015年,氢璞创能研发了拥有自主知识产权的石墨板燃料电池电堆,后来称之为石墨二代电堆,同时石墨三代堆正在研转产的过程中。

电堆的生产中存在大量的重复性高精度操作,在生产工艺定型后,氢璞创能引入了一系列的自动化设备,完成了生产过程中关键环节的自动化改造,做出了第一条半自动化生产线。这是氢璞创能产业化尝试的第一步,为后来的产业化发展打下了坚实的基础,也为后面产品的开发积累了工艺技术。通过半自动化生产,公司电堆产品的一致性和成品率都大大提高。

“在这个阶段,公司做到了部分生产自动化,关键部分测试数字化,部分关键数据可追溯。而在这个生产车间建设前,电堆的制作完全是手动进行的,比如电堆使用的是成品密封圈,安装复杂,出错率高,装堆效率低,次品率高,一致性不好。所以当时资金虽然非常紧张,但我们依然坚定选择采购了部分自动化设备。在国内燃料电池行业还未回暖之前,公司的生产效率已经大大提高,每个出品的电堆也有了性能上的基本保证。”赖平化回忆。

接下来是氢璞创能第一代自动化产线。氢璞创能在2016年开始部署,2017年全面投产的第一代自动化产线,主力生产氢璞的复合板3代及4代电堆。这是一条高度自动化的生产线,同时有着一套智能化数字管理系统,能够做到生产数据的全程可追溯,同时兼顾了柔性设计,当不同代产品进行切换时,可做到无缝连接,提高的生产效率。使批量化生产成为可能,也提高了产品的批次一致性。

氢璞运用当时可以动用的大部分资金投入了这条产线,同时也投入了大量的人力和物理进行了工艺技术升级,从极板成形到整堆下线检测每一步的工艺转化都有团队不懈的努力。

倾尽全力打造自动化产线,让氢璞创能团队受益颇丰。赖平化说:“熟悉我们的朋友知道,我们那时生产的3代堆一般‘低标’不少,其实不是我们有意‘低标’,而是在生产初期使用半自动化线生产时的一个标准堆功率是27kW,但是使用自动化线生产后同样堆的功率提升到了32kW,但由于初期产品体系已经完成了认证,所以我们依旧按照标称27kW出售。毋庸置疑,自动化的介入对于单片一致性和批次一致性都有很大帮助。”

然后是第二代自动化产线。在第一代自动化产线的基础上,氢璞创能第二代自动化产线主要是在国产化程度进行了一些推进。由于部分国外进口材料管控和价格不合理提升,公司开始使用自主化、国产化的原料,电堆的生产制造工艺发生了变化,生产用的自动化设备自然也需要进行调整。这也让生产节拍及首件生产时长有了显著的缩短,成本大幅下降。

与此同时,PPS(生产计划管理系统)和WMS(仓储管理系统)系统的引入使氢璞的制造管理成本进一步下降,从而可以为客户带来了更高性价比的产品。这一代的改造在生产线设备上外观变化不大,但是内部设备进行很多调整。

最后是第三代自动化产线。在前两代自动化生产线的基础上,氢璞创能第三代生产线进一步精进设备标准化,针对的电堆产品也调整到了兼容复合板3代堆、4代堆及5代堆,也引入了DNC(分布式数控系统)对设备的运行状态进行了统计和分析;通过工艺自动化微闭环环境建设,缩短追溯至反馈的长度,提高在线检测及再定义能力,并及时自动完成设备故障分析,反馈及调整,大大降低次品量及设备调整反应时间,这也是对生产线的QMS(质量管理系统)进行了一次提升。

“MES系统的进一步功能提升,生产管理的精细化的最终目的是为给客户提供质量可靠、长期稳定的合格产品。氢璞一直以来不断地打磨细节,研发材料,开发工艺,改造设备,最直接的目的就是为市场带来性价比更高的产品。”赖平化说。

同时赖平化也强调:“半自动化产线也好,自动化、智能化车间也好,都不是为了建产线而建产线,都是为了生产产品才建产线。产线没有最好、最先进,只有最适合某种产品,最适合某种材料体系、工艺体系。只要能做到高重复精度、高一致性、高良品率、低生产附加成本、低设备投入、低维护成本、尽量短的生产节拍,最终做到产品的高性价比、高稳定性,让客户得到更好的产品,这样的产线、这样的生产体系就是正确的。”


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