Mohawk 借助Velo3D：將陽極廢氣回收鼓風(fēng)機的價格降低 60%

導(dǎo)讀：眾所周知，碳氫化合物在燃燒時會釋放污染物，研究人員正積極尋找和研發(fā)不需要燃燒碳氫化合物的方式。到目前為止，有一種從研究階段進入商業(yè)化階段的的方法，那就是固體氧化物燃料電池 (SOFC) 技術(shù)。Mohawk Innovative Technology和 Velo3D 之間基于此進行合作，讓這種技術(shù)真正的應(yīng)用起來。



美國能源部 (DOE) 多年來一直對 SOFC 進行投資（自 1995 年以來已投資 7.5 億美元）。美國能源部將 SOFC 描述為一種電化學(xué)裝置，它直接通過碳氫燃料（通常是天然氣）的氧化來發(fā)電，同時消除了實際的燃燒過程。基本上，SOFC 的作用就像一個無限壽命的電池，不斷地被充電，而不會燃燒給它充電的氣體。

小包裝，大能量輸出
Mohawk Innovative Technology (MITI) 工程副總裁 Jose Luis Cordova 博士說：“固體氧化物燃料電池非常有前景，因為它們在非常小的封裝中就能產(chǎn)生大量能量，SOFC 結(jié)構(gòu)緊湊，可以在工廠制造，然后運輸?shù)叫枰�支持分布式能源生產(chǎn)的特定地點，相比之下，集中式多兆瓦發(fā)電廠需要數(shù)十億美元和多年的時間。SOFC 的效率很高，與普通電池不同，它們不會隨著時間的推移而斷電，用戶只需要提供試劑材料，就可以無限期地繼續(xù)電化學(xué)反應(yīng)。"

Mohawk 是一家總部位于紐約奧爾巴尼的28歲的公司，致力于多項DOE資助的項目，專注于“清潔技術(shù)”，聚焦于高效、成本效益、環(huán)境低影響、無油渦輪機械的設(shè)計產(chǎn)品，包括可再生能源渦輪發(fā)電機、無油渦輪壓縮機/鼓風(fēng)機和電動機等。


△Mohawk 創(chuàng)新技術(shù)與 Velo3D 合作，以3D打印燃料電池部件來降低成本。

面臨成本和耐用性問題
盡管2019年全球運送了超過 40,000 個 100 千瓦燃料電池（每個能夠為 50 個家庭供電），但由于許多 SOFC 組件的制造成本很高，并且這些組件存在磨損，該技術(shù)的廣泛采用受到了限制。

為了幫助克服這些挑戰(zhàn)，Mohawk設(shè)計了一些關(guān)鍵部件，以延長使用壽命和提高效率。一個例子是陽極廢氣再循環(huán)風(fēng)機 (AORB)，這是一種“設(shè)備自平衡”（支持 SOFC 燃料堆的機械）的重要組成部分。

在運行期間，每個燃料電池僅使用其所供給的氣體的約 70%。剩下的大約 30% 與水（電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物）一起直接通過系統(tǒng)。如果用戶不想扔掉剩余的氣體或水，可以把它們送回流程的入口，這就是 AORB 的用武之地，它本質(zhì)上是一個低壓壓縮機或風(fēng)扇，回收廢氣并將其返回燃料電池的前部。

由于鼓風(fēng)機系統(tǒng)中存在工藝氣體，傳統(tǒng)鼓風(fēng)機容易腐蝕和降解；混合物中的氫會侵蝕制造鼓風(fēng)機的合金，還會損壞為鼓風(fēng)機提供動力的電機的磁鐵和電氣元件。大多數(shù)鼓風(fēng)機還含有也會降解的潤滑劑，如油。因此，用戶最終會得到可靠性非常低的鼓風(fēng)機，增加工廠的成本，并且SOFC 工廠需要每兩到四千小時進行一次大修。這一統(tǒng)計數(shù)據(jù)遠未達到DOE的目標，即SOFC的使用壽命為 40,000 小時，并且安裝成本從平均 12,000 美元/千瓦（電能千瓦）降低到 900 美元/千瓦。



Jose Luis Cordova 說：“因此，我們意識到 Mohawk 專有的無油柔性箔軸承 (CFB) 技術(shù)、專業(yè)涂層和數(shù)十年的渦輪機械專業(yè)知識非常適合應(yīng)對這一挑戰(zhàn)�！�

AM提供解決方案
DOE 的資金為 Mohawk 提供了在由 FuelCell Energy 運營的 SOFC 示范發(fā)電廠中設(shè)計和測試 AORB 原型的方法。在實際操作條件下進行嚴格測試，測試其耐用性和性能。最新的測試結(jié)果表明零件或輸出沒有顯著下降，并且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，該葉輪在極端機械和熱應(yīng)力下連續(xù)運行。為了獲得最長的使用壽命，此零件必須由昂貴、高強度、鎳基、耐腐蝕的超合金材料制成，例如 Inconel 718 或 Haynes 282，這些材料難以加工或鑄造。在葉輪中實現(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市場的初期性，葉輪的生產(chǎn)批量較小，難以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。

為了應(yīng)對上述問題，增材制造提供了解決方案。在 FuelCell Energy 的原始項目不斷發(fā)展的同時，Mohawk 還接到了研發(fā)團隊的電話，尋求燃料電池組件設(shè)計方面的幫助。Jose Luis Cordova 說：“由于這些制造商和集成商中的許多技術(shù)仍處于研究階段，因此每個制造商都有不同的操作條件，使用傳統(tǒng)制造，只制造他們想要的少數(shù)定制葉輪或蝸殼，成本會非常高。這就是我們開始關(guān)注 AM 的地方，我們對 AM制造商進行了調(diào)研，并與LPBF供應(yīng)商Velo3D建立了聯(lián)系�！�

能力合作
Jose Luis Cordova 指出：“以降低成本和提高 SOFC 性能為目標，美國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（通過小型企業(yè)工業(yè)研究項目）支持我們目前與 Velo3D 的合作伙伴關(guān)系以及與 FuelCell Energy 的合作伙伴關(guān)系�！�

Velo3D 的Mohawk項目負責(zé)人，Matt Karesh說：“與像Mohawk這樣的公司攜手合作，他們愿意與我們合作并向我們提供反饋，推動我們內(nèi)部工藝參數(shù)和能力的進步，并幫助指導(dǎo)我們?nèi)绾胃倪M我們的打印方法�！�

AM的成本降低
Jose Luis Cordova 說：“我們傳統(tǒng)的減材制造葉輪每件售價高達 15,000 至 19,000 美元。當我們 3D 打印它們時，小批量生產(chǎn)可以一次打印8個，而不是一次一個，成本降低非常顯著，可以到達500到600美元。除了降低制造成本外，LPBF 還是一種可以提供設(shè)計靈活性的技術(shù)。AM 對葉輪葉片的數(shù)量、它們的角度或間距沒有任何限制，所有這些都對空氣動力學(xué)效率有直接影響。我們現(xiàn)在擁有實現(xiàn)更高性能旋轉(zhuǎn)渦輪機械設(shè)計和降低相關(guān)制造成本所需的幾何精度，”



選擇合適的材料
在 Velo3D Sapphire 系統(tǒng)上打印的葉輪（在 Velo3D 全球網(wǎng)絡(luò)中的合同制造商 Duncan Machine），選擇使用 Inconel 718，這是一種耐高溫的鎳基合金，可以有更大的軸承承載能力。

“Inconel 具有足夠的化學(xué)惰性，并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，”Mohawk 的機械工程師 Hannah Lea 說。

雖然 Velo3D 已經(jīng)確定選擇了Inconel 718，但 Mohawk 進行了額外的材料研究，以增加關(guān)于 3D 打印版高溫合金的知識體系。測試表明，LPBF 3D 打印的 Inconel 718 具有高于鑄造材料的機械性能，例如屈服應(yīng)力和蠕變耐受性，高應(yīng)力離心鼓風(fēng)機和壓縮機應(yīng)用來說至關(guān)重要。

不斷改進
隨著葉輪工作的進展，Mohawk 的工程師與 Velo3D 專家就設(shè)計迭代、修改和打印策略進行了合作�！斑@真的很有趣，因為我們不必對我們正在使用的原始葉輪進行任何重大的設(shè)計更改 -，使用 Velo3D 的藍寶石系統(tǒng)，我們可以打印我們想要的東西，”Jose Luis Cordova 說�！霸谥�撐結(jié)構(gòu)考慮和表面粗糙度方面進行了一些工藝調(diào)整和修改�！�

隨著葉輪項目的進展，AM 提供的周轉(zhuǎn)時間比鑄造或銑削所允許的要快得多，因為可以快速打印、評估、迭代和再次打印零件。在隨后的 3D 打印運行中，可以在同一構(gòu)建板上同時制作多個新舊葉輪設(shè)計示例，以比較結(jié)果。葉輪尺寸相對較小（直徑 60 毫米），因此團隊需要開發(fā)“犧牲罩”——一種臨時的打印外殼，以保證葉片的真實尺寸和精度。



犧牲護罩和更光滑的表面
Velo3D 的 Matt Karesh 說：“對于大多數(shù)當前的增材技術(shù)，帶罩葉輪基本上是不可直接打印的，因為它需要支撐結(jié)構(gòu)。我們使用了一種減少支持的方法。”Mohawk指出：“ 使用 Velo3d 的技術(shù)，能夠在葉輪上構(gòu)建一次性護罩，獲得他們想要的翼型和流路形狀，然后通過非常簡單的機加工操作來移除護罩�！�

根據(jù)Mohawk工程師 Rochelle Wooding 的說法，表面光潔度是另一個重點。“在我們早期的迭代中，零件表面還是有點粗糙。犧牲護罩的有趣之處在于，它為我們提供了一條穿過葉片的流動路徑，我們可以使用該路徑通過擠壓珩磨來校正粗糙度；需要進一步確定要向刀片添加多少材料才能達到我們想要的所需刀片厚度。我們獲得的最終表面光潔度與鑄件相當，并且符合我們的空氣動力學(xué)目的�！�

未來前景
下一步是用新的葉輪改裝 AORB 并在現(xiàn)場條件下對其進行測試。Jose Luis Cordova 指出：“我們希望這兩項任務(wù)的成功執(zhí)行將充分證明 LPBF 技術(shù)交付的 3D 打印 Inconel 零件是制造渦輪機械部件的可行且可靠的替代方案，使用 AM 制造其他鼓風(fēng)機部件（如外殼和蝸殼）的工作已經(jīng)在進行中。通過這些 DOE 資助的項目，我們已經(jīng)能夠開發(fā)一個通用部件庫�！�