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魔猴君 行業(yè)資訊 737天前
近日,據(jù)魔猴網(wǎng)了解,莫霍克(Mohawk)創(chuàng)新技術(shù)公司和VELO3D公司合作開(kāi)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(yáng)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(yáng)極廢氣回收鼓風(fēng)機(jī)
美國(guó)能源部(DOE)多年來(lái)一直對(duì)SOFC進(jìn)行投資(根據(jù)他們的網(wǎng)站,自1995年以來(lái)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)浠衔锶剂希ㄍǔJ翘烊粴猓┑难趸挟a(chǎn)生電力,同時(shí)消除了實(shí)際燃燒步驟?;旧?,SOFC就像一個(gè)不斷被充電的無(wú)限期電池--無(wú)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(shuō):"固體氧化物燃料電池非常有吸引力,因?yàn)樗鼈冊(cè)诜浅P〉陌b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(zhuān)門(mén)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(wú)油渦輪機(jī)械產(chǎn)品,包括可再生能源渦輪發(fā)電機(jī)、無(wú)油渦輪壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)。Jose Luis Cordova說(shuō):"SOFC結(jié)構(gòu)緊湊,可以在工廠建造,然后運(yùn)輸?shù)叫枰鼈兊木唧w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(lái)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)橹灰闾峁┰噭憔涂梢詭缀鯚o(wú)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(guò)4萬(wàn)臺(tái)100千瓦的燃料電池(每臺(tái)能夠?yàn)?/span>50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(wèn)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(zhǎng)使用壽命和提高工作效率。其中一個(gè)典型例子是陽(yáng)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(shuō):“在運(yùn)行過(guò)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(guò)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(shuō):"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。混合物中的氫氣會(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(rùn)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?jī)傻剿那r(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(méi)有達(dá)到美國(guó)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(shuō):"因此,我們意識(shí)到Mohawk專(zhuān)有的無(wú)油順應(yīng)性箔式軸承(CFB)技術(shù)、專(zhuān)門(mén)的涂層和數(shù)十年的渦輪機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)很適合這一挑戰(zhàn)?!?/span>
增材制造提供了答案
美國(guó)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(cè)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(cè)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(méi)有明顯的退化,并完全消除了任何性能或可靠性問(wèn)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。除此之外,由于目前SOFC市場(chǎng)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(shuō):"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(kāi)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(shuō):"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(mǎn)熱情。他們的資金(通過(guò)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(lái)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(shuō):"與Mohawk這樣的公司攜手合作,他們?cè)敢馀c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?。?/span>
增材制造的成本效益
Jose Luis Cordova說(shuō):"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(shuō):"Inconel對(duì)我們很有吸引力,因?yàn)樗幕瘜W(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(guò)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(shuō):"我們的測(cè)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(lái)說(shuō)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(zhuān)家合作進(jìn)行了設(shè)計(jì)迭代、修改和打印策略。Jose Luis Cordova說(shuō):“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)榱慵梢钥焖俅蛴?、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?。ㄖ睆綖?/span>60毫米),該團(tuán)隊(duì)有必要開(kāi)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(shuō):"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(lái)說(shuō),有罩子的葉輪基本上是不可觸及的,因?yàn)樗鼈冃枰袀鹘y(tǒng)的支持結(jié)構(gòu)。"我們采用的不是無(wú)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(jiǎn)單的加工操作來(lái)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?cè)缙诘牡校砻嬗悬c(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(guò)葉片的流道,我們可以利用擠壓珩磨來(lái)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(lái)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(lái)的測(cè)試,前景展望
接下來(lái)的步驟是用新葉輪改裝AORB,并在現(xiàn)場(chǎng)條件下進(jìn)行測(cè)試。Jose Luis Cordova說(shuō):"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(guò)這些能源部資助的項(xiàng)目,我們已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)通用部件庫(kù)?;谧畛醯南敕ǎ覀儸F(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(lái)清潔能源的進(jìn)展。"
來(lái)源:南極熊