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(shí)會(huì)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(jià)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(duì)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(shí)消除了實(shí)際燃燒步驟。基本上，SOFC就像一個(gè)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(jì)高效、經(jīng)濟(jì)、對(duì)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(dòng)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(duì)比，后者往往需要數(shù)十億美元和多年的時(shí)間來建立。SOFCs也是非常高效的。與普通電池不同，它們不會(huì)隨著時(shí)間的推移而失去動(dòng)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(tái)100千瓦的燃料電池（每臺(tái)能夠?yàn)?0個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)重要組成部分。

Jose說：“在運(yùn)行過程中，每個(gè)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(gè)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(gè)典型的250千瓦SOFC廠將采用其中的兩個(gè)。SOFC廠區(qū)平衡設(shè)計(jì)者認(rèn)為這種鼓風(fēng)機(jī)將是一個(gè)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�；旌衔镏械臍錃鈺�(huì)攻擊鼓風(fēng)機(jī)的合金，也會(huì)損壞為鼓風(fēng)機(jī)提供動(dòng)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(huì)降解。因此，你最終會(huì)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(shí)就需要進(jìn)行一次大修�！�

這一統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)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(jí)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(dòng)力學(xué)效率需要復(fù)雜的三維幾何形狀，這對(duì)制造來說是一個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)，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(jì)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(gè)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(duì)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(gè)好處是，隨著我們對(duì)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(gè)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(dòng)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(gè)左右的小批量，而不是一次一個(gè)，這就降到了500到600美元，這是一個(gè)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(jì)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(duì)空氣動(dòng)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(jì)，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(shí)（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(duì)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(duì)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(jí)合金的知識(shí)。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(duì)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(jì)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?duì)我們正在使用的原始葉輪進(jìn)行任何重大的設(shè)計(jì)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(shí)間，因?yàn)榱慵�可以快速打印、評(píng)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(jì)的多個(gè)例子可以同時(shí)在同一個(gè)構(gòu)建板上制作，以比較結(jié)果。

由于葉輪的尺寸相對(duì)較小（直徑為60毫米），該團(tuán)隊(duì)有必要開發(fā)一個(gè) "犧牲護(hù)罩"--一個(gè)臨時(shí)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(duì)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(huì)使其部件更好，所以他們通常是將附加這個(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)通用部件庫�；�于最初的想法，我們現(xiàn)在至少有三個(gè)完全不同的平臺(tái)，可以為不同的動(dòng)力能力服務(wù)，以支持未來清潔能源的進(jìn)展。"