氫璞創能燃料電池開發流程與產線設計全解
要將燃料電池電堆這款高技術門檻的產品做到“質美價廉”，絕非一日之功。作為國內電堆領先企業，氫璞創能CTO陳真博士及氫璞創能總工程師賴平化公開分別介紹了公司電堆開發流程、全自動化產線。公司自2013年起陸續建設了中國首條半自動化電堆生產線，中國首條全自動化電堆生產線，到今年智能化全自動生產線V3.0完工，充分保障了規模化高品質電堆生產。
產品與工藝開發“軟實力”
截至目前，氫璞創能已經開發出了5代碳複合板電堆和3代金屬板電堆。氫璞創能電堆產品以過硬的品質、更低的成本、先進的技術和批量交付能力獲得了市場的廣泛認可。那麼，氫璞創能是如何將產品從一個概念推向市場的？
在概念階段，客户的需求會被整理，翻譯成工程語言，用於描述產品各方面的功能和性能。在這個階段，會有很多的產品方案會被提出來探討，但也有很多方案會被迅速排斥或者否定，在進入開發階段之前只會剩下一種設計和工藝方案，直到投產為止；
原型機階段主要目標是產品詳細的設計及關鍵部件的核實。在這個階段，主要着重三個方面：一是產品的可靠性，二是產品可生產性，三是產品的可維護性；
開發階段的重點是開發和驗證，用於生產這個產品的工藝，其中包括工裝治具、測試設備、生產流程等。這是一個生產放大的過程，產品的設計應該在這個階段被“凍結”；
試產階段是利用上述生產工藝來進行小批量的生產，既要驗證用上述工藝能否生產出合格的產品，也要驗證產品的設計和工藝整個過程；
投產階段的重點就是產品的發佈，以及能夠在應用當中極力去尋找和發現、解決遇到的問題，這是一個持續改進的過程。
陳真概括了氫璞創能電堆開發流程的四個特點：1、二八原則。儘管概念階段僅佔整個項目大概20%的時間，但對最終產品成本的影響卻達到了80%；2、平行工程。產品的設計和工藝的開發是平行進行的，在產品設計的過程當中必須要考慮現有的設備和產能的限制，考慮不同的工種與產品方案的設計是不是達成了一致；3、以客户為中心。客户的滿意這是最終的目標，通過持續發現問題和解決問題來達到目標；4、符合16949認證要求。這是進入供應鏈最低的要求，能夠通過這個認證，讓所有供應鏈的成員都有一個共同的語言。
氫璞創能做好16949認證工作的動力還在於：1、市場競爭的必要性，必須經過認證才能被下游企業所認可；2、改善企業形象和提升可信度，滿足客户的需求；3、應用數據和證據供內部決策用，以提高問題解決的效率和資源利用的有效性；4、建立一個對產品質量能夠持續改進的體系，讓團隊能夠積極地參與改進產品質量。
千錘百煉，打造先進產線
在構建完善的研發和開發體系後，下一個重點是電堆產品的生產製造。在發佈會現場，賴平化介紹了氫璞創能燃料電池生產線的構成，並分享了多年來打磨工藝和設計產線的心得。
氫璞創能碳基複合板燃料電池電堆生產線在廣泛意義上分為3個工段，分別是複合極板成形及後處理工段、雙極板總成製造工段和整堆成形制造工段。複合極板成形工段主要負責模壓材料的混料、稱重、上料、模壓、測試、後處理等工序；雙極板總成製造工段主要是處理前一工段的產品並將其生產成雙極板，用於下一個工段使用；整堆組裝工段是通過機械臂完成電堆的自動堆疊和在線測試，之後電堆進行全自動化捆紮處理，最後進行下線測試。
這三個工段互相匹配，同時還需要來料庫、成品庫、中轉庫、管理系統及磨合測試生產區域等功能區域配合，這些設備的綜合體構成一個標準化的碳基複合板燃料電池電堆生產基地。
氫璞創能的生產管理理念是通過自動化設備，同時合理利用MES功能模塊，完善其與ERP及WMS的信息關聯，有序完成產品從訂單到出貨的全部管理。而PDM系統作為PLM系統的延伸，使得各個生產基地完成了數據的互聯互通，保證產品的一致性。
事實上，氫璞創能的工藝定型和產線設計經過了很多“打磨”，從最初的產業化嘗試到如今能夠定型一套基礎的生產設備體系，非常不容易：
首先是2013-2015年建設的半自動化生產線。2015年，氫璞創能研發了擁有自主知識產權的石墨板燃料電池電堆，後來稱之為石墨二代電堆，同時石墨三代堆正在研轉產的過程中。
電堆的生產中存在大量的重複性高精度操作，在生產工藝定型後，氫璞創能引入了一系列的自動化設備，完成了生產過程中關鍵環節的自動化改造，做出了第一條半自動化生產線。這是氫璞創能產業化嘗試的第一步，為後來的產業化發展打下了堅實的基礎，也為後面產品的開發積累了工藝技術。通過半自動化生產，公司電堆產品的一致性和成品率都大大提高。
“在這個階段，公司做到了部分生產自動化，關鍵部分測試數字化，部分關鍵數據可追溯。而在這個生產車間建設前，電堆的製作完全是手動進行的，比如電堆使用的是成品密封圈，安裝複雜，出錯率高，裝堆效率低，次品率高，一致性不好。所以當時資金雖然非常緊張，但我們依然堅定選擇採購了部分自動化設備。在國內燃料電池行業還未回暖之前，公司的生產效率已經大大提高，每個出品的電堆也有了性能上的基本保證。”賴平化回憶。
接下來是氫璞創能第一代自動化產線。氫璞創能在2016年開始部署，2017年全面投產的第一代自動化產線，主力生產氫璞的複合板3代及4代電堆。這是一條高度自動化的生產線，同時有着一套智能化數字管理系統，能夠做到生產數據的全程可追溯，同時兼顧了柔性設計，當不同代產品進行切換時，可做到無縫連接，提高的生產效率。使批量化生產成為可能，也提高了產品的批次一致性。
氫璞運用當時可以動用的大部分資金投入了這條產線，同時也投入了大量的人力和物理進行了工藝技術升級，從極板成形到整堆下線檢測每一步的工藝轉化都有團隊不懈的努力。
傾盡全力打造自動化產線，讓氫璞創能團隊受益頗豐。賴平化説：“熟悉我們的朋友知道，我們那時生產的3代堆一般‘低標’不少，其實不是我們有意‘低標’，而是在生產初期使用半自動化線生產時的一個標準堆功率是27kW，但是使用自動化線生產後同樣堆的功率提升到了32kW，但由於初期產品體系已經完成了認證，所以我們依舊按照標稱27kW出售。毋庸置疑，自動化的介入對於單片一致性和批次一致性都有很大幫助。”
然後是第二代自動化產線。在第一代自動化產線的基礎上，氫璞創能第二代自動化產線主要是在國產化程度進行了一些推進。由於部分國外進口材料管控和價格不合理提升，公司開始使用自主化、國產化的原料，電堆的生產製造工藝發生了變化，生產用的自動化設備自然也需要進行調整。這也讓生產節拍及首件生產時長有了顯著的縮短，成本大幅下降。
與此同時，PPS（生產計劃管理系統）和WMS（倉儲管理系統）系統的引入使氫璞的製造管理成本進一步下降，從而可以為客户帶來了更高性價比的產品。這一代的改造在生產線設備上外觀變化不大，但是內部設備進行很多調整。
最後是第三代自動化產線。在前兩代自動化生產線的基礎上，氫璞創能第三代生產線進一步精進設備標準化，針對的電堆產品也調整到了兼容複合板3代堆、4代堆及5代堆，也引入了DNC（分佈式數控系統）對設備的運行狀態進行了統計和分析；通過工藝自動化微閉環環境建設，縮短追溯至反饋的長度，提高在線檢測及再定義能力，並及時自動完成設備故障分析，反饋及調整，大大降低次品量及設備調整反應時間，這也是對生產線的QMS（質量管理系統）進行了一次提升。
“MES系統的進一步功能提升，生產管理的精細化的最終目的是為給客户提供質量可靠、長期穩定的合格產品。氫璞一直以來不斷地打磨細節，研發材料，開發工藝，改造設備，最直接的目的就是為市場帶來性價比更高的產品。”賴平化説。
同時賴平化也強調：“半自動化產線也好，自動化、智能化車間也好，都不是為了建產線而建產線，都是為了生產產品才建產線。產線沒有最好、最先進，只有最適合某種產品，最適合某種材料體系、工藝體系。只要能做到高重複精度、高一致性、高良品率、低生產附加成本、低設備投入、低維護成本、儘量短的生產節拍，最終做到產品的高性價比、高穩定性，讓客户得到更好的產品，這樣的產線、這樣的生產體系就是正確的。”