莫霍克和Velo3D合作開發(fā)3D打印燃料電池裝置新技術(shù),，可大幅降低能源加工成本

導(dǎo)讀：眾所周知,，碳?xì)浠�合物在燃燒時會釋放出污染物。然而,，現(xiàn)在看來,，我們也可以通過不燃燒它們的方式來制備能源。

2022年10月23日,，南極熊獲悉,，莫霍克（Mohawk）創(chuàng)新技術(shù)公司和Velo3D公司合作開發(fā)了一項(xiàng)固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)，這是一種有前途的能源制備新技術(shù),，借助 Velo3D 將陽極廢氣回收鼓風(fēng)機(jī)的價格降低 60%,，已經(jīng)從研究階段進(jìn)入商業(yè)化階段。

△陽極廢氣回收鼓風(fēng)機(jī)

美國能源部（DOE）多年來一直對SOFC進(jìn)行投資（根據(jù)他們的網(wǎng)站,，自1995年以來投資了7.5億美元）,，作為正在進(jìn)行的能源生產(chǎn)脫碳工作的一部分。能源部將SOFC描述為一種電化學(xué)裝置,，它直接從碳?xì)浠�合物燃料（通常是天然氣）的氧化中產(chǎn)生電力,，同時消除了實(shí)際燃燒步驟�,；�本��,，SOFC就像一個不斷被充電的無限期電池--無需燃燒為其充電的氣體。

小包裝,，大能量輸出

莫霍克創(chuàng)新技術(shù)公司（MITI）的工程副總裁Jose Luis Cordova博士說："固體氧化物燃料電池非常有吸引力,，因?yàn)樗鼈冊诜浅Ｐ〉陌�裝中產(chǎn)生大量的能量。莫霍克公司是一家有28年歷史的公司,，總部設(shè)在紐約的奧爾巴尼,，專門從事 "清潔技術(shù)"--設(shè)計高效、經(jīng)濟(jì),、對環(huán)境影響小的無油渦輪機(jī)械產(chǎn)品，包括可再生能源渦輪發(fā)電機(jī),、無油渦輪壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)和電動馬達(dá),。

Jose Luis Cordova說："SOFC結(jié)構(gòu)緊湊，可以在工廠建造，然后運(yùn)輸?shù)叫枰�它們的具體地點(diǎn),，以支持分布式能源生產(chǎn),。與通常的集中式、多兆瓦的發(fā)電廠形成對比,，后者往往需要數(shù)十億美元和多年的時間來建立,。SOFCs也是非常高效的。與普通電池不同,，它們不會隨著時間的推移而失去動力,，因?yàn)橹灰�你提供試劑，你就可以幾乎無限期地繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),。"

△Mohawk創(chuàng)新技術(shù)公司與Velo3D公司合作,，3D打印燃料電池部件，以降低成本（極大地）,。

盡管在2019年有超過4萬臺100千瓦的燃料電池（每臺能夠?yàn)?0個家庭供電）運(yùn)往世界各地,，但由于許多SOFC部件的制造成本很高，而且這些部件由于暴露在使其運(yùn)作如此高效的氣體中而迅速磨損,，因此該技術(shù)的廣泛采用受到限制,。

面臨成本和耐久性問題

為了幫助克服這些挑戰(zhàn)，Mohawk已經(jīng)設(shè)計了其中一些關(guān)鍵部件,，以延長使用壽命和提高工作效率,。其中一個典型例子是陽極廢氣回收鼓風(fēng)機(jī)（AORB）--"設(shè)備平衡"（支持SOFC燃料堆的機(jī)械）的一個重要組成部分。

Jose說：“在運(yùn)行過程中,，每個燃料電池只使用其輸入的大約70%的氣體,。其余的大約30%與水（電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物）一起直接排出系統(tǒng)。而你不想浪費(fèi)掉這些剩余的氣體或水,，你想把它們送回過程的起點(diǎn),。這就是AORB的作用：它基本上是一個低壓壓縮機(jī)或風(fēng)扇，可以回收廢氣并將其送回燃料電池的前端,。"

Jose說："一個典型的250千瓦SOFC廠將采用其中的兩個,。SOFC廠區(qū)平衡設(shè)計者認(rèn)為這種鼓風(fēng)機(jī)將是一個現(xiàn)成的裝置。但由于系統(tǒng)中的工藝氣體,，傳統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)容易腐蝕和退化,。混合物中的氫氣會攻擊鼓風(fēng)機(jī)的合金,，也會損壞為鼓風(fēng)機(jī)提供動力的電機(jī)的磁鐵和電氣元件,。大多數(shù)鼓風(fēng)機(jī)還包含潤滑劑，如油,，也會降解,。因此,，你最終會使用可靠性非常低的鼓風(fēng)機(jī) - 占工廠平衡成本的很大一部分 - 而你的SOFC工廠每兩到四千小時就需要進(jìn)行一次大修�,！�

這一統(tǒng)計數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到美國能源部的目標(biāo),，即典型的SOFC的運(yùn)行壽命為40000小時，安裝成本從平均12000美元/千瓦（千瓦電能）降低到900美元/千瓦,。

Jose Luis Cordova說："因此,，我們意識到Mohawk專有的無油順應(yīng)性箔式軸承（CFB）技術(shù)、專門的涂層和數(shù)十年的渦輪機(jī)械專業(yè)知識很適合這一挑戰(zhàn),�,！�

增材制造提供了答案

美國能源部的資助為Mohawk提供了在FuelCell能源公司運(yùn)行的SOFC示范電站中設(shè)計和測試AORB原型的手段。在現(xiàn)實(shí)的操作條件下進(jìn)行的嚴(yán)格測試衡量了耐久性和性能,。最新的版本顯示,，在部件或輸出方面沒有明顯的退化，并完全消除了任何性能或可靠性問題,。

然而,，AORB的成本仍然高得令人望而卻步。這在很大程度上是由于其高速離心葉輪,，它在極端的機(jī)械和熱應(yīng)力下持續(xù)運(yùn)行,。為了獲得最長的使用壽命，該部件必須由昂貴的高強(qiáng)度,、鎳基,、耐腐蝕的超級合金材料制成，如Inconel 718或Haynes 282,，這些材料很難加工或鑄造,。在葉輪中實(shí)現(xiàn)最佳空氣動力學(xué)效率需要復(fù)雜的三維幾何形狀，這對制造來說是一個挑戰(zhàn),。除此之外,，由于目前SOFC市場的萌芽狀態(tài)，葉輪的生產(chǎn)批量相對較小,，規(guī)模經(jīng)濟(jì)難以實(shí)現(xiàn),。

Jose Luis Cordova說："你可以想象，增材制造為降低生產(chǎn)成本提供了一個令人信服的答案,。在與FuelCell Energy合作的最初項(xiàng)目不斷發(fā)展的同時,，Mohawk也接到了研發(fā)團(tuán)體的電話，希望在他們自己的燃料電池部件設(shè)計方面獲得幫助,。由于許多這些制造商和集成商仍處于研究階段,，每個人心中都有不同的操作條件。使用傳統(tǒng)的制造方法,，僅僅制造他們想要的少量定制葉輪或渦流,，將是非常昂貴的,。因此,，我們開始關(guān)注增材制造,。我們自己研究了增材制造系統(tǒng)制造商，并與LPBF供應(yīng)商Velo3D聯(lián)系,。

在能力方面的合作

Jose Luis Cordova說："由于其目標(biāo)是降低成本和提高SOFC的性能,，能源部對增材制造等創(chuàng)新制造方法充滿熱情。他們的資金（通過小企業(yè)工業(yè)研究項(xiàng)目）支持我們目前與Velo3D的合作,，以及我們之前與FuelCell Energy的合作,。另一個好處是，隨著我們對3D打印技術(shù)的能力和潛力了解得越來越多,，這項(xiàng)工作正在幫助推進(jìn)整個3D打印技術(shù),。"

Velo3D公司Mohawk項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Matt Karesh說："與Mohawk這樣的公司攜手合作，他們愿意與我們合作并給予我們反饋,，推動了我們內(nèi)部工藝參數(shù)和能力的進(jìn)步,，并幫助指導(dǎo)我們?nèi)绾问刮覀兊拇蛴》椒ǜ�好�,！?/div>

增材制造的成本效益

Jose Luis Cordova說："我們傳統(tǒng)的,、用減法制造的葉輪每件高達(dá)15,000至19,000美元。當(dāng)我們用3D打印技術(shù),，以8個左右的小批量,，而不是一次一個，這就降到了500到600美元,，這是一個非常顯著的成本降低,。除了削減制造成本外，LPBF是能夠?yàn)槲覀兲峁┪覀兯鶎ふ业脑O(shè)計靈活性的一項(xiàng)技術(shù),。增材制造不受葉輪葉片的數(shù)量,、角度或間距的限制，而所有這些都對空氣動力學(xué)效率有直接影響,。我們現(xiàn)在擁有所需的幾何精度,，既能實(shí)現(xiàn)更高性能的旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)械設(shè)計，又能降低相關(guān)的制造成本,。"

挑選完美的合金

在Velo3D Sapphire系統(tǒng)上3D打印葉輪時（在Velo3D全球網(wǎng)絡(luò)中的合同制造商Duncan Machine）,，選擇了使用Inconel 718--鎳基合金之一，它具有很強(qiáng)的溫度耐受性,，可以最好地承受旋轉(zhuǎn)的壓力,。

Mohawk公司的機(jī)械工程師HannahLea說："Inconel對我們很有吸引力，因?yàn)樗�的化學(xué)惰性足夠強(qiáng),，而且在相當(dāng)高的溫度下仍能保持其機(jī)械性能,，絕對超過鋁或鈦,。

盡管Velo3D已經(jīng)為他們的機(jī)器認(rèn)證了Inconel718，但Mohawk做了額外的材料研究,，以增加關(guān)于3D打印版超級合金的知識,。Hannah Lea說："我們的測試表明，LPBF 3D打印的Inconel 718的機(jī)械性能,，如屈服應(yīng)力和蠕變?nèi)菹�,，都高于鑄造材料。這對于工作溫度范圍內(nèi)的高壓力離心式鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)應(yīng)用來說是綽綽有余的,。"

迭代變得容易

隨著葉輪工作的進(jìn)展,，Mohawk的工程師與Velo3D專家合作進(jìn)行了設(shè)計迭代、修改和打印策略,。Jose Luis Cordova說：“這真的很有趣,，因?yàn)槲覀儾恍枰獙ξ覀冋�在使用的原始葉輪進(jìn)行任何重大的設(shè)計修改。利用Velo3D的藍(lán)寶石系統(tǒng),，我們可以直接打印我們想要的東西,。我們確實(shí)在支撐結(jié)構(gòu)考慮和表面處理修改方面做了一些工藝調(diào)整和調(diào)整。"

隨著葉輪項(xiàng)目的進(jìn)展,，增材制造提供了比鑄造或銑削更快的周轉(zhuǎn)時間,，因?yàn)榱慵�可以快速打印、評估,、迭代,，并再次打印。在隨后的3D打印運(yùn)行中,，新舊葉輪設(shè)計的多個例子可以同時在同一個構(gòu)建板上制作,，以比較結(jié)果。

由于葉輪的尺寸相對較�,。ㄖ睆綖�60毫米）,，該團(tuán)隊(duì)有必要開發(fā)一個 "犧牲護(hù)罩"--一個臨時打印的外殼，在制造期間保持葉片的真實(shí)性,。

犧牲護(hù)罩和更光滑的表面

Velo3D的Matt Karesh說："這種方法真正有趣的地方在于,，對于目前大多數(shù)增材制造技術(shù)來說，有罩子的葉輪基本上是不可觸及的,，因?yàn)樗鼈冃枰�所有傳統(tǒng)的支持結(jié)構(gòu),。"我們采用的不是無支撐，而是減少支撐的方法,。Mohawk表示他們最終不需要護(hù)罩,，但護(hù)罩會使其部件更好，所以他們通常是將附加這個通常極難打印的東西之后再把它切掉,。使用Velo3d的技術(shù),，他們能夠在葉輪上建立一次性護(hù)罩,，獲得他們想要的機(jī)翼和流道形狀，然后是非常簡單的加工操作來移除護(hù)罩,。"

據(jù)Mohawk工程師RochelleWooding表示,，表面處理是另一個重點(diǎn)："在我們早期的迭代中，表面有點(diǎn)粗糙,。犧牲護(hù)罩的有趣之處在于,，它為我們提供了一條通過葉片的流道，我們可以利用擠壓珩磨來修正粗糙度,。我們需要進(jìn)一步反復(fù)討論，以確定在葉片上添加多少材料來達(dá)到我們想要的葉片厚度,。我們?nèi)〉玫淖罱K表面光潔度與鑄造件相當(dāng),，在空氣動力學(xué)匹配我們的目的。"

未來的測試,，前景展望

接下來的步驟是用新葉輪改裝AORB,，并在現(xiàn)場條件下進(jìn)行測試。Jose Luis Cordova說："我們期望這兩項(xiàng)任務(wù)的成功執(zhí)行將充分證明由LPBF技術(shù)提供的3D打印Inconel部件是制造渦輪機(jī)械部件的一個可行的,、可靠的替代方案,。使用增材制造技術(shù)制造其他鼓風(fēng)機(jī)部件（如外殼和渦流）的工作已經(jīng)在進(jìn)行中。

Jose Luis Cordova總結(jié)道:"通過這些能源部資助的項(xiàng)目,，我們已經(jīng)能夠開發(fā)出一個通用部件庫,。基于最初的想法,，我們現(xiàn)在至少有三個完全不同的平臺,，可以為不同的動力能力服務(wù)，以支持未來清潔能源的進(jìn)展,。"