自动化助推燃料电池制备技术变革

国产燃料电池企业的崛起，催生了国内膜电极市场的强劲需求，国产膜电极生产制造正在逐步向批量产业化时代迈进。

高工产研氢电研究所（GGII）统计数据显示，2020年国内市场膜电极出货量为3.68万㎡，同比增长62.11%，而得益于下游市场需求的提高，近三年国内市场膜电极出货量一直处于稳步增长态势。

此前国内膜电极市场被国际企业所占据，近年来随着以鸿基创能、武汉理工氢电、唐锋能源等为代表的国内膜电极公司快速成长起来，国产膜电极的市场占有率稳步提升。在这背后，设备企业为国产膜电极迈向产业化制造和有效降本起到了重要作用。

“现阶段，国内膜电极企业对MEA设备在提高产品质量、提升效率和良率的要求越来越高。”隆深机器人氢能装备事业部总经理丁彦春告诉高工氢电，当前国产膜电极制造开始向量产阶段过渡，如何保证产品制造的一致性和稳定性成为客户最为关心的内容，整个行业正在加快转型升级。

在助力膜电极国产装备水平的提升和工艺难点的突破方面，隆深机器人的经验值得行业借鉴。

自动化助推燃料电池制备技术变革

隆深机器人成立于2013年，是一家专业从事工业机器人系统集成、非标自动化设备及整线设计制造的高新技术企业。公司从2017年成立氢能装备事业部，开始投入研发燃料电池专用设备，现有设备产品已完全覆盖从催化剂浆料制备到电堆装配的全生产过程，可以为用户提供从厂房规划到电堆成品下线的整线解决方案。

经过7年多时间的快速发展，公司已在东莞、芜湖、长沙、十堰设立子公司，在上海、宁波、武汉等多个地区设立分公司。现阶段，隆深机器人已具备成熟的膜电极（MEA）生产及检验小试/中试/整线设备交付能力，同时在双极板生产、电堆装配等方面的设备也做了大量的研究开发，可以为用户提供质子交换膜燃料电池整线解决方案。

以其MEA全自动满生产线为例，该产线包含浆料制备、碳纸疏水预处理线、CCM双面直接涂布线/GDL涂布辊压线、CCM裁切/边框膜裁切/GDL裁切设备、MEA五合一/七合一贴合设备、尺寸检测/瑕疵检测/气密性检测设备等。

隆深机器人膜电极封装线

在膜电极设备领域，隆深机器人解决了浆料的分散粒径、稳定性，质子交换膜两面直接涂布，柔性切割，MEA五合一卷对卷贴合，高效的瑕疵检测、气密性检测等几大难题。

此外，隆深机器人膜电极自动化生产线最大的特点就是实现了可柔性生产，可以根据客户的需求来决定设备的自动化生产能力，这对于燃料电池制备技术来说，无疑是一次重大的变革。

截至目前，隆深机器人现已为国内某客户成功研制开发出国内先进膜电极全自动化生产线。该产线包含浆料制备、碳纸疏水预处理线、CCM双面直接涂布线/GDL涂布辊压线、CCM裁切/边框膜裁切/GDL裁切设备、MEA五合一/七合一贴合设备、尺寸检测/瑕疵检测/气密性检测设备等。

MEA多样化制备方案解决行业痛点

与3C、汽车领域相对成熟的生产及工艺路线相比较，处于探索初期的氢能源设备自动化则更显非标定制的难点，处于不同发展阶段的客户对于膜电极设备的需求也存在很大的差异。

如何选择合适的工艺，是用于研发产品还是批量化生产制造？为此隆深机器人针对不同的需求，开发了MEA多样化制备解决方案。

从目前行业主流的直涂、转印和喷涂三大工艺来看，各有自己的优缺点。

若采用直涂，因为涂层湿膜是一次成型，当浆料粘度过低时（＜50cps），涂层表面树脂含量偏高，底层铂碳颗粒含量偏高；面层与气体扩散层接触，电子传导能力不足，如果树脂层致密严重甚至会阻碍气液传导；催化剂颗粒更富集在涂层底部，影响质子传导，又因为没有充足的气体供应，催化反应会受到影响。

转印工艺与直涂工艺得到的催化层恰恰相反，铂碳颗粒富集在催化层的表面，与气体扩散层接触，增强了电子传输能力，气体传输通畅，催化反应加强。树脂富集层与质子膜接触，质子传导能力更强。

喷涂同样适合低粘度浆料，涂层厚度可任意控制，且喷涂对浆料的调配要求简单，几乎不需要考虑浆料分散技术。但是喷涂工艺的效率太低、浆料浪费严重、难以实现双面斑马涂（因为遮膜的对位问题）。

隆深的解决方案是，通过对浆料进行增稠处理和狭缝涂布相结合的形式解决上述难题。实验结果表明，浆料粘度500~800cps时，采用狭缝直涂，分温区快速烘干，铂碳颗粒不会沉淀堆积，催化层得以获得更良好的水气通道，质子和电子传导良好。采用狭缝直涂，效率高、节省浆料、可实现双面斑马涂。

此外，针对不同客户的需求量大小，隆深机器人在膜电极的贴片工艺方面也进行了不同的区分。

“MEA日产能需求小于1500片时，采用片对片贴合，产品换型简单，设备适应能力强。“丁彦春认为，对于试验/小试/中试线来说，片对片贴合工艺更为适合，而卷对卷贴合工艺生产效率较高（6pcs/min），对边框有要求，更适合量产产线。

现阶段，针对不同MEA客户在不同发展阶段的特定需要，隆深机器人重点开发了MEA试验线生产设备和MEA工业化生产设备2大类产品矩阵，分别对应客户在试验中试期和批量生产期的需求。

在MEA试验线生产设备方面，高速分散机、平板涂布机、精密裁切机、五合一贴合机、七合一贴合机、气密检测机等设备适合研发和小批量中试；在MEA工业化生产设备方面，催化层卷材双面直接涂布机、催化层片材双面直接涂布机、MEA热转印设备、MEA封装检测线、电堆装配自动化整线等能满足客户对于批量化生产的需求。

眼下，国产膜电极涂布工艺在经历了第一代“双面转印”与第二代“阴极直涂阳极转印”之后，工艺仍然有发展和提升的空间。效率更高的双面直涂工艺正在被越来越多企业接受，成为未来批量化生产的主流方向。

隆深机器人将会同燃料电池企业一起努力，不断提升工艺和制造水平，为推动国产膜电极的智能化生产和有效降本做出贡献。

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