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氢云观察:巴拉德解决燃料电池成本降低的四种重要方法

氢云链| 2020-2-27 17:17 阅读 3149 评论 0

今天这篇文章将介绍巴拉德如何通过燃料电池生产工艺的创新,来降低成本并最大化效率。巴拉德高级制造总监Lee Sweetland博士分享了关于巴拉德工艺改进的关键信息,包括:

1、新技术如何在短短两秒半内完成单片完整膜电极的生产;

2、解决燃料电池成本降低的四种重要方法;

3、如何努力提高产品和运营的可持续性。

氢云观察:巴拉德解决燃料电池成本降低的四种重要方法

巴拉德高级制造总监Lee Sweetland博士

问题:Lee博士您好!感谢您来这里和我们分享交流,请问您在巴拉德的专业领域是什么?

Lee博士:我的专业领域是先进制造业、资本项目管理、持续改进和运营管理,我一直致力于将研究和技术与制造解决方案联系起来。我一直寻求技术更新,以提供可以改变行业规则的革新性工艺,这始于我在博士期间对彻底改变水净化产生的兴趣。

我曾在庄信万丰工作了18年,担任过许多运营职务,但最后在新市场部门担任制造技术总监。现在我已经在巴拉德工作了将近两年。在巴拉德,我的团队主要负责两个职能:

1、确定并实施新的生产工艺和运营技术解决方案,使行业规模从迄今为止生产的数百万个膜电极扩大到数千万到上亿个;

2、确保我们团队开发的技术和产品在制造的过程中具备成本效益,以有效扩大生产规模。

问题:自您加入公司以来,巴拉德的燃料电池生产有何发展?

Lee博士:我在巴拉德的第一份工作是根据领先的生产工艺标准评估和衡量我们的制造技术, 研究已经具备的优势和有待改进的地方。然后我制定了一份方案,着眼于扩大我们工厂的生产能力以满足近期和中期的增长,同时降低生产成本。我们研究了材料和工艺流程、设施布局,关注生产过程中的每个步骤、操作时间、自动化程度的提高、产量、人机工程学和可持续性。

目前我们正在安装大量新的资本设备,这将使我们膜电极的生产能力扩大五倍。在一年内,我们将建成基础设施,随着我们对未来市场需求的可见度的提高,能够将基础设施的产能再提高一倍。

当我刚开始涉足燃料电池行业时,膜电极的生产方式主要是靠离散喷涂技术和大量手工作业完成。现在随着产量的增加,巴拉德已进入持续生产流程。

我们最新全自动密封制造车间的调试正处于最后阶段,该车间可在短短五秒钟内完成膜电极的生产。这比我们目前的生产速度快了七倍。我们还可以在这个制造车间中添加并联机,具体操作将由相同的自动化机器人完成,这将使膜电极的生产时间缩短到两秒半之内。这速度相当于每年产能超过一千万个膜电极或大约25,000个FCmove™模组。这将满足每年25,000辆燃料电池公共汽车和卡车的需求,并且这只是我的团队在2020年为实现产能增加五倍所安装的众多自动化示例之一。

氢云观察:巴拉德解决燃料电池成本降低的四种重要方法

FCmove燃料电池模组

问题:这些新的生产方法是否对节省成本有影响?

Lee博士:自动化的主要推动力之一是减少用于制造产品的直接劳动力,但是与我要谈及的那些领域相比,这是相对较小的推动力。

这行业面临的一项革命性挑战是要革新制造方法以提高产量、质量以及最重要的电堆性能,以实现我们将成本降低70%的期望。在未来五年中,我们将继续开发适合此行业规模的创新性制造技术,比现有规模大几个数量级。例如,一个100千瓦的燃料电池电堆将需要300-400个单片电池。假设每年有10万辆燃料电池卡车,那么膜电极和双极板的需求量将在3千万至4千万之间。因此,我们现在开始将重点转向商业规模。

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巴拉德通过以下四个主要方法完成了电堆成本的降低:

1、提高膜电极单位面积产生的功率,并在可能的情况下使用更少的材料。这是最有力的成本降低方法,因为它减少了电堆中的单片电池总数。

2、与供应商合作并改进我们的工艺设备,以最大程度地利用成卷供应的材料。

3、设计和操作具有高首过合格率的制造工艺。2019年,我们就在流程改进方面取得了巨大进展,一年内减少了70%以上的产能损失。

4、减少了组装膜电极片和电堆所需的人工劳动量。这就是产品设计、消除或简化流程以及自动化的关键所在。

问题:在2019年,巴拉德推出了新的FCmove™模型。这种设计如何使效率最大化?

Lee博士:减少单个组件的数量以及降低FCmove产品设计中组装的复杂性是关键。产品设计团队以及先进的制造技术遵循“为制造装配和服务进行设计”的原则,这在指导产品设计以提高效率方面发挥了关键作用。

我们的新装配线是规模化试点生产线,每年可生产3,000个模组。其设计旨在为将来的低功率和高功率FCmove模组提供一定的灵活性,并使设计人员能够自由降低成本。

基本流程是构建带有泄漏测试的子装配线,然后通过看板系统将其馈送到主装配线中。我们添加了动画工作指引,以指导技术人员完成装配。现在,我们可以通过条形码对主要部件进行追踪,并根据模块序列号对所有关键的装配扭矩进行数字记录。

这些改进帮助我们将人工成本降低了一半以上。当然,随着数量增长到成千上万,设计将需要进一步成熟。

问题:巴拉德对所有生产领域的可持续性做出了重要承诺。您对可持续发展影响最大的领域是什么?

Lee博士:对我来说,关键是避免宝贵自然资源的浪费,无论是能源利用还是我们产品的材料使用。例如,在测试过程中,燃料电池电堆会消耗大量的氢气,但也会产生电能和废热。

巴拉德一直在产品开发区域内的所有新测试站中使用一种称为再生负载库的技术,这项技术可以协助我们将电力输送给工厂,而避免其转化为必须消散的热量。随着产量的增加,到2020年底,我们将在工厂中新增一个测试室。这让我感到非常兴奋,我们将拥有可提供全部膜电极制造设备动力总需求量的可再生负载组。

此外,我也非常关心是塑料对环境的影响。我认为巴拉德一直是该领域的领导者。

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密封膜电极的传统方法是使用带有热熔胶或压敏胶的塑料薄膜。这些用于活动区域和端口切口的材料占膜面积的70-90%,通常无法回收。因此,当我加入巴拉德时,令我惊讶的是他们开发了一种液体注射成型密封技术。该技术可以在生产过程中以最小的浪费来密封GDL和CCM,但它的挑战在于难以保持高产量。

巴拉德具有世界一流的能力,能够通过类似医院CT扫描仪一样的3D CT扫描技术来表征原材料和产品制造中的视觉缺陷,并检验这些缺陷对耐用性的影响。这可以避免我们随意丢弃材料。

在整个2019年,我们已经进行了大规模的工艺优化。我可以很自豪地说,我们几乎接近100%的产量,这是一个令人惊叹的可持续方案。另外,膜电极的整个使用寿命完成后,我们可以通过膜电极回收对注塑材料进行再加工。且在回收贵金属的过程中,不会出现像二恶英这样的有害污染物。

因此,巴拉德在选择生产工艺技术时,已把产品的整个生命周期都考虑在内。(来源:巴拉德)

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