3D打印燃料電池裝置新技術，可大幅降低能源加工成本

魔猴君  行業資訊   725天前

近日，據魔猴網了解，莫霍克（Mohawk）創新技術公司和VELO3D公司合作開發了一項固體氧化物燃料電池（SOFC）技術，這是一種有前途的能源制備新技術，借助 Velo3D 將陽極廢氣回收鼓風機的價格降低 60%，已經從研究階段進入商業化階段。

△陽極廢氣回收鼓風機

美國能源部（DOE）多年來一直對SOFC進行投資（根據他們的網站，自1995年以來投資了7.5億美元），作為正在進行的能源生產脫碳工作的一部分。能源部將SOFC描述為一種電化學裝置，它直接從碳氫化合物燃料（通常是天然氣）的氧化中產生電力，同時消除了實際燃燒步驟。基本上，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

莫霍克創新技術公司（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，因為它們在非常小的包裝中產生大量的能量。莫霍克公司是一家有28年歷史的公司，總部設在紐約的奧爾巴尼，專門從事 "清潔技術"--設計高效、經濟、對環境影響小的無油渦輪機械產品，包括可再生能源渦輪發電機、無油渦輪壓縮機/鼓風機和電動馬達。Jose Luis Cordova說："SOFC結構緊湊，可以在工廠建造，然后運輸到需要它們的具體地點，以支持分布式能源生產。與通常的集中式、多兆瓦的發電廠形成對比，后者往往需要數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，因為只要你提供試劑，你就可以幾乎無限期地繼續進行電化學反應。"

△Mohawk創新技術公司與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（每臺能夠為50個家庭供電）運往世界各地，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作如此高效的氣體中而迅速磨損，因此該技術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，Mohawk已經設計了其中一些關鍵部件，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機（AORB）--"設備平衡"（支持SOFC燃料堆的機械）的一個重要組成部分。

Jose說：“在運行過程中，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（電化學反應的產物）一起直接排出系統。而你不想浪費掉這些剩余的氣體或水，你想把它們送回過程的起點。這就是AORB的作用：它基本上是一個低壓壓縮機或風扇，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廠區平衡設計者認為這種鼓風機將是一個現成的裝置。但由于系統中的工藝氣體，傳統的鼓風機容易腐蝕和退化。混合物中的氫氣會攻擊鼓風機的合金，也會損壞為鼓風機提供動力的電機的磁鐵和電氣元件。大多數鼓風機還包含潤滑劑，如油，也會降解。因此，你最終會使用可靠性非常低的鼓風機 - 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行一次大修。“

這一統計數字遠遠沒有達到美國能源部的目標，即典型的SOFC的運行壽命為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專有的無油順應性箔式軸承（CFB）技術、專門的涂層和數十年的渦輪機械專業知識很適合這一挑戰。”

增材制造提供了答案

美國能源部的資助為Mohawk提供了在FuelCell能源公司運行的SOFC示范電站中設計和測試AORB原型的手段。在現實的操作條件下進行的嚴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，它在極端的機械和熱應力下持續運行。為了獲得最長的使用壽命，該部件必須由昂貴的高強度、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。在葉輪中實現最佳空氣動力學效率需要復雜的三維幾何形狀，這對制造來說是一個挑戰。除此之外，由于目前SOFC市場的萌芽狀態，葉輪的生產批量相對較小，規模經濟難以實現。

Jose Luis Cordova說："你可以想象，增材制造為降低生產成本提供了一個令人信服的答案。在與FuelCell Energy合作的最初項目不斷發展的同時，Mohawk也接到了研發團體的電話，希望在他們自己的燃料電池部件設計方面獲得幫助。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，我們開始關注增材制造。我們自己研究了增材制造系統制造商，并與LPBF供應商Velo3D聯系。

在能力方面的合作

Jose Luis Cordova說："由于其目標是降低成本和提高SOFC的性能，能源部對增材制造等創新制造方法充滿熱情。他們的資金（通過小企業工業研究項目）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打印技術的能力和潛力了解得越來越多，這項工作正在幫助推進整個3D打印技術。"

Velo3D公司Mohawk項目負責人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，推動了我們內部工藝參數和能力的進步，并幫助指導我們如何使我們的打印方法更好。“

增材制造的成本效益

Jose Luis Cordova說："我們傳統的、用減法制造的葉輪每件高達15,000至19,000美元。當我們用3D打印技術，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是能夠為我們提供我們所尋找的設計靈活性的一項技術。增材制造不受葉輪葉片的數量、角度或間距的限制，而所有這些都對空氣動力學效率有直接影響。我們現在擁有所需的幾何精度，既能實現更高性能的旋轉渦輪機械設計，又能降低相關的制造成本。"

挑選完美的合金

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

Mohawk公司的機械工程師HannahLea說："Inconel對我們很有吸引力，因為它的化學惰性足夠強，而且在相當高的溫度下仍能保持其機械性能，絕對超過鋁或鈦。

盡管Velo3D已經為他們的機器認證了Inconel718，但Mohawk做了額外的材料研究，以增加關于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的機械性能，如屈服應力和蠕變容限，都高于鑄造材料。這對于工作溫度范圍內的高壓力離心式鼓風機和壓縮機應用來說是綽綽有余的。"

迭代變得容易

隨著葉輪工作的進展，Mohawk的工程師與Velo3D專家合作進行了設計迭代、修改和打印策略。Jose Luis Cordova說：“這真的很有趣，因為我們不需要對我們正在使用的原始葉輪進行任何重大的設計修改。利用Velo3D的藍寶石系統，我們可以直接打印我們想要的東西。我們確實在支撐結構考慮和表面處理修改方面做了一些工藝調整和調整。"

隨著葉輪項目的進展，增材制造提供了比鑄造或銑削更快的周轉時間，因為零件可以快速打印、評估、迭代，并再次打印。在隨后的3D打印運行中，新舊葉輪設計的多個例子可以同時在同一個構建板上制作，以比較結果。

由于葉輪的尺寸相對較小（直徑為60毫米），該團隊有必要開發一個 "犧牲護罩"--一個臨時打印的外殼，在制造期間保持葉片的真實性。

犧牲護罩和更光滑的表面

Velo3D的Matt Karesh說："這種方法真正有趣的地方在于，對于目前大多數增材制造技術來說，有罩子的葉輪基本上是不可觸及的，因為它們需要所有傳統的支持結構。"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罩，但護罩會使其部件更好，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，他們能夠在葉輪上建立一次性護罩，獲得他們想要的機翼和流道形狀，然后是非常簡單的加工操作來移除護罩。"

據Mohawk工程師RochelleWooding表示，表面處理是另一個重點："在我們早期的迭代中，表面有點粗糙。犧牲護罩的有趣之處在于，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。我們需要進一步反復討論，以確定在葉片上添加多少材料來達到我們想要的葉片厚度。我們取得的最終表面光潔度與鑄造件相當，在空氣動力學匹配我們的目的。"

未來的測試，前景展望

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

Jose Luis Cordova總結道:"通過這些能源部資助的項目，我們已經能夠開發出一個通用部件庫。基于最初的想法，我們現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，以支持未來清潔能源的進展。"

來源：南極熊