电堆堆叠设备市场“画像”

在燃料电池电堆的生产流程中，堆叠作为电堆装配的基础工序，其集成过程的一致性控制等工艺是影响电堆寿命的重要因素之一。

当前国内电堆堆叠工艺的发展水平如何？主要难点在哪些环节？市场上的主要解决方案和反馈怎样？未来的改进方向是什么？高工氢电针对业界关心的这些问题展开了调研分析，以期描摹出电堆堆叠设备市场“画像”，为行业做参考，且看下文：

小“堆叠”，大“门道”

电堆组装的主要工艺流程为堆叠和预装配——压缩——张紧——泄漏测试——定型装配——活化和测试——成品，而堆叠工序是将准备好的原料、半成品零部件，具体包括MEA（含GDL）模组、BPP、后端板、拉杆（或包扎钢带）、集流板、绝缘板等，利用组装辅助定位装置依次循环堆叠，直到达到设计所需求的数量为止，叠上上端板部分，经前、后端板压紧，通过气密性检测后，安装好螺杆（压缩力保持装置），随后撤除压力，即构成燃料电池电堆。

这其中，具体的堆叠方式有人工堆叠、全自动供料堆叠、机械手精准定位堆叠、旋转机械手堆叠等，安装固定装置可分为拉杆式安装、扎带式安装、侧板式安装等；压紧的驱动装置又可分为液压驱动、丝杠电机驱动；堆叠装备的整体性能具体通过叠片效率、堆叠精度、自动化程度作为参考，但实际生产过程中的叠片效率、自动化程度等受到电堆产量、核心材料、生产成本等因素影响。

作为电堆装配的基础设备，当前几乎所有的设备厂商均已开发出相应的堆叠装置，国内以隆深氢能、先导智能、魔方新能源、世椿新能源、利元亨、律致新能源、绿保科技、豪森等产线设备企业为发展主力。

虽然选择技术路径多样、设备企业众多，但这一看似简单的“堆叠”工艺实际要做好并不容易。“装堆不是问题，怎么把堆装好才是问题。装堆看似小事，装的电堆能用才是本事。”一位业内人士表示。

首先是材料导致的公差问题，由于膜电极与双极板自身的平均度、平整度差别，在依次堆叠的时候会导致累计公差，公差的解决一方面要通过电堆设计的补偿方案；另一方面，对于堆叠设备的材料追溯、辅助定位、精准上料堆叠等的解决机制提出了要求。

其次就是压装导致的侧滑问题：在压装的时候，由于单元堆叠难免会有偏移，巨大的压装力可能会导致侧向滑移，因此需要有一定的技术方案来避免该问题，才能保证压装的整体质量。

从堆叠设备的用户——电堆厂商的反馈来看，当前的各大电堆企业基本选用国产设备，且在批量化生产环节大部分选用机械臂式全自动堆叠方式。“目前国产堆叠设备基本可以覆盖我们的装堆需求，但机械臂、电控、激光检测等的相关元件仍青睐技术较为成熟的进口设备。”一家电堆企业技术负责人表示。

针对堆叠设备的发展建议上，电堆企业的主要诉求如下：

1、设备的模块化。目前燃料电池行业产品还没有完全定型，各家在接下来几年时间都在探索朝哪个方向发展。在这个过程中，设备的兼容性、可靠性，能否随之改造提升，要求提高。模块化的设备可以针对瓶颈工序进行一些单机设备的增加，可以实现整个产线产能的快速扩增。比如企业规划1万套的产能，而实际只需要500-1000套产能，可以将其拆解出来作为研发和小试设备进行使用，这也是模块化的优势。

另从整体的造价、维护、质保的角度来看，模块化的装堆设备在维护上也更有助于快速定位、实现维护，从而保证整线的生产效率。随着燃料电池行业逐步向规模化发展，电堆企业对生产效率和维护成本也越来越看重。

2、设备的稳定性。由于堆叠环节的技术难度并不突出，且电堆的整体性能表现涉及到堆体设计、材料的质量标准、设备的可靠性等多重因素，因此电堆企业在生产把控中更重视堆叠环节的稳定性、可靠性。

“做堆的人很清楚对设备的要求具体到哪个点上，过多要求设备的高性能会导致设备的价格变得非常贵，而且可能用不上，所以在满足产能所需的情况下，需要设备的持续稳定生产能力，而这一要求不是一时半会的达标，而应该是一年、两年，甚至十年都能做好。” 某电堆企业认为。

3、设备的持续降本。这是行业的普遍需求，当前行业缺乏标准，建议首先从自身的制程，包括研发过程中缩短研发工艺流程，整个制造环节同步介入，邀请客户进行共同研发，这样能够缩短整体的周期和制造运营成本，最后能够输出高性价比的装备。

行业整体仍处于发展初期，生产设备唯有持续推进降本，才能推进电堆的降本和研发投入，助力燃料电池在商业化初期抢占市场先机。

设备企业在行动

事实上，堆叠设备的重要性也已经引起相关部门的重视，针对该环节的科技立项活动已经启动。

2021年5月11日，科技部正式对外发布《科技部关于发布国家重点研发计划“信息光子技术”等“十四五”重点专项2021年度项目申 指南的通知》，并研究制定了“揭榜挂帅”榜单模板，高精度电堆组装及成套批量制造装备技术被列入“揭榜挂帅”榜单任务，作为单独附件随指南发布。

在堆叠环节，提出了电堆组件的高速堆叠、高精准对位、差异化组件抓取、自动化装配等具体目标，要求所研制装备电堆组件堆叠节拍≤2s/片、组件直接对齐偏差≤±0.08mm、电堆连续合格记录不少于300台等考核标准。

针对堆叠设备的共性问题。设备厂商已经展开集中发力，助力堆叠设备紧跟行业需求实现协同发展。

以律致新能源为例，依托上海交大的“产学研”平台，律致新能源形成了面向大功率电堆层叠装配的“一面六杆”定位技术、定位移装配技术、高效叠装技术和燃料电池快速活化技术等一系列核心技术。

“未来的发展方向，主要还是围绕客户需求，针对客户关心的降本问题，我们将在通过验证之后尽量实现进口零部件的国产化替代，实现整体的降本。” 律致新能源科技总经理洪浩祯表示。

魔方新能源进入早积累多，可提供从工艺路线、量产经验到产线实施的总包服务，已与国内外上百家氢能燃料电池企业和研究院所建立不同程度的合作关系。

魔方新能源的堆叠设备可根据客户的产能规划实现人工、半自动、全自动等堆叠方案的定制。“模块化和降本增效实际上是相辅相成的关系，也依赖行业的市场化、标准化的达成，在堆叠设备上我们目前的解决方案已经可以覆盖客户的诉求，未来也将紧跟行业发展持续精进。”魔方新能源副总经理万静表示。

世椿新能源作为行业老兵，自2014年进入燃料电池装备领域至今已有7年时间。其装堆产品包括简易全自动装堆线（焊接绑带式）、简易全自动装堆线（锁螺杆式）、全自动装堆线（焊接绑带式）等，其产能可以做到>8k个堆/年（以400组为参考）。

针对设备的诉求迭代，世椿新能源将主要从模块化、产能提升、智能化等方面发力。如做装堆线和双极板产线制造过程中能不能对气密性进行诊断、原材料置换过程中能不能自我判别和识别等。

“绿保科技除了燃料电池电堆和系统装配生产线，电堆测试台架也有小批量对外出货，整体业绩有了明显的增长。在堆叠设备上我们很有信心，当前的堆叠设备已经实现模块化，叠片效率可以达到3.5S/片，堆叠精度可以做到0.08mm。”绿保科技总工程师杨皓表示。