莫霍克和Velo3D合作开发3D打印燃料电池装置新技术，可大幅降低能源加工成本

导读：众所周知，碳氢化合物在燃烧时会释放出污染物。然而，现在看来，我们也可以通过不燃烧它们的方式来制备能源。

2022年10月23日，南极熊获悉，莫霍克（Mohawk）创新技术公司和Velo3D公司合作开发了一项固体氧化物燃料电池（SOFC）技术，这是一种有前途的能源制备新技术，借助 Velo3D 将阳极废气回收鼓风机的价格降低 60%，已经从研究阶段进入商业化阶段。

△阳极废气回收鼓风机

美国能源部（DOE）多年来一直对SOFC进行投资（根据他们的网站，自1995年以来投资了7.5亿美元），作为正在进行的能源生产脱碳工作的一部分。能源部将SOFC描述为一种电化学装置，它直接从碳氢化合物燃料（通常是天然气）的氧化中产生电力，同时消除了实际燃烧步骤。基本上，SOFC就像一个不断被充电的无限期电池--无需燃烧为其充电的气体。

小包装，大能量输出

莫霍克创新技术公司（MITI）的工程副总裁Jose Luis Cordova博士说："固体氧化物燃料电池非常有吸引力，因为它们在非常小的包装中产生大量的能量。莫霍克公司是一家有28年历史的公司，总部设在纽约的奥尔巴尼，专门从事 "清洁技术"--设计高效、经济、对环境影响小的无油涡轮机械产品，包括可再生能源涡轮发电机、无油涡轮压缩机/鼓风机和电动马达。

Jose Luis Cordova说："SOFC结构紧凑，可以在工厂建造，然后运输到需要它们的具体地点，以支持分布式能源生产。与通常的集中式、多兆瓦的发电厂形成对比，后者往往需要数十亿美元和多年的时间来建立。SOFCs也是非常高效的。与普通电池不同，它们不会随着时间的推移而失去动力，因为只要你提供试剂，你就可以几乎无限期地继续进行电化学反应。"

△Mohawk创新技术公司与Velo3D公司合作，3D打印燃料电池部件，以降低成本（极大地）。

尽管在2019年有超过4万台100千瓦的燃料电池（每台能够为50个家庭供电）运往世界各地，但由于许多SOFC部件的制造成本很高，而且这些部件由于暴露在使其运作如此高效的气体中而迅速磨损，因此该技术的广泛采用受到限制。

面临成本和耐久性问题

为了帮助克服这些挑战，Mohawk已经设计了其中一些关键部件，以延长使用寿命和提高工作效率。其中一个典型例子是阳极废气回收鼓风机（AORB）--"设备平衡"（支持SOFC燃料堆的机械）的一个重要组成部分。

Jose说：“在运行过程中，每个燃料电池只使用其输入的大约70%的气体。其余的大约30%与水（电化学反应的产物）一起直接排出系统。而你不想浪费掉这些剩余的气体或水，你想把它们送回过程的起点。这就是AORB的作用：它基本上是一个低压压缩机或风扇，可以回收废气并将其送回燃料电池的前端。"

Jose说："一个典型的250千瓦SOFC厂将采用其中的两个。SOFC厂区平衡设计者认为这种鼓风机将是一个现成的装置。但由于系统中的工艺气体，传统的鼓风机容易腐蚀和退化。混合物中的氢气会攻击鼓风机的合金，也会损坏为鼓风机提供动力的电机的磁铁和电气元件。大多数鼓风机还包含润滑剂，如油，也会降解。因此，你最终会使用可靠性非常低的鼓风机 - 占工厂平衡成本的很大一部分 - 而你的SOFC工厂每两到四千小时就需要进行一次大修。“

这一统计数字远远没有达到美国能源部的目标，即典型的SOFC的运行寿命为40000小时，安装成本从平均12000美元/千瓦（千瓦电能）降低到900美元/千瓦。

Jose Luis Cordova说："因此，我们意识到Mohawk专有的无油顺应性箔式轴承（CFB）技术、专门的涂层和数十年的涡轮机械专业知识很适合这一挑战。”

增材制造提供了答案

美国能源部的资助为Mohawk提供了在FuelCell能源公司运行的SOFC示范电站中设计和测试AORB原型的手段。在现实的操作条件下进行的严格测试衡量了耐久性和性能。最新的版本显示，在部件或输出方面没有明显的退化，并完全消除了任何性能或可靠性问题。

然而，AORB的成本仍然高得令人望而却步。这在很大程度上是由于其高速离心叶轮，它在极端的机械和热应力下持续运行。为了获得最长的使用寿命，该部件必须由昂贵的高强度、镍基、耐腐蚀的超级合金材料制成，如Inconel 718或Haynes 282，这些材料很难加工或铸造。在叶轮中实现最佳空气动力学效率需要复杂的三维几何形状，这对制造来说是一个挑战。除此之外，由于目前SOFC市场的萌芽状态，叶轮的生产批量相对较小，规模经济难以实现。

Jose Luis Cordova说："你可以想象，增材制造为降低生产成本提供了一个令人信服的答案。在与FuelCell Energy合作的最初项目不断发展的同时，Mohawk也接到了研发团体的电话，希望在他们自己的燃料电池部件设计方面获得帮助。由于许多这些制造商和集成商仍处于研究阶段，每个人心中都有不同的操作条件。使用传统的制造方法，仅仅制造他们想要的少量定制叶轮或涡流，将是非常昂贵的。因此，我们开始关注增材制造。我们自己研究了增材制造系统制造商，并与LPBF供应商Velo3D联系。

在能力方面的合作

Jose Luis Cordova说："由于其目标是降低成本和提高SOFC的性能，能源部对增材制造等创新制造方法充满热情。他们的资金（通过小企业工业研究项目）支持我们目前与Velo3D的合作，以及我们之前与FuelCell Energy的合作。另一个好处是，随着我们对3D打印技术的能力和潜力了解得越来越多，这项工作正在帮助推进整个3D打印技术。"

Velo3D公司Mohawk项目负责人Matt Karesh说："与Mohawk这样的公司携手合作，他们愿意与我们合作并给予我们反馈，推动了我们内部工艺参数和能力的进步，并帮助指导我们如何使我们的打印方法更好。“

增材制造的成本效益

Jose Luis Cordova说："我们传统的、用减法制造的叶轮每件高达15,000至19,000美元。当我们用3D打印技术，以8个左右的小批量，而不是一次一个，这就降到了500到600美元，这是一个非常显著的成本降低。除了削减制造成本外，LPBF是能够为我们提供我们所寻找的设计灵活性的一项技术。增材制造不受叶轮叶片的数量、角度或间距的限制，而所有这些都对空气动力学效率有直接影响。我们现在拥有所需的几何精度，既能实现更高性能的旋转涡轮机械设计，又能降低相关的制造成本。"

挑选完美的合金

在Velo3D Sapphire系统上3D打印叶轮时（在Velo3D全球网络中的合同制造商Duncan Machine），选择了使用Inconel 718--镍基合金之一，它具有很强的温度耐受性，可以最好地承受旋转的压力。

Mohawk公司的机械工程师HannahLea说："Inconel对我们很有吸引力，因为它的化学惰性足够强，而且在相当高的温度下仍能保持其机械性能，绝对超过铝或钛。

尽管Velo3D已经为他们的机器认证了Inconel718，但Mohawk做了额外的材料研究，以增加关于3D打印版超级合金的知识。Hannah Lea说："我们的测试表明，LPBF 3D打印的Inconel 718的机械性能，如屈服应力和蠕变容限，都高于铸造材料。这对于工作温度范围内的高压力离心式鼓风机和压缩机应用来说是绰绰有余的。"

迭代变得容易

随着叶轮工作的进展，Mohawk的工程师与Velo3D专家合作进行了设计迭代、修改和打印策略。Jose Luis Cordova说：“这真的很有趣，因为我们不需要对我们正在使用的原始叶轮进行任何重大的设计修改。利用Velo3D的蓝宝石系统，我们可以直接打印我们想要的东西。我们确实在支撑结构考虑和表面处理修改方面做了一些工艺调整和调整。"

随着叶轮项目的进展，增材制造提供了比铸造或铣削更快的周转时间，因为零件可以快速打印、评估、迭代，并再次打印。在随后的3D打印运行中，新旧叶轮设计的多个例子可以同时在同一个构建板上制作，以比较结果。

由于叶轮的尺寸相对较小（直径为60毫米），该团队有必要开发一个 "牺牲护罩"--一个临时打印的外壳，在制造期间保持叶片的真实性。

牺牲护罩和更光滑的表面

Velo3D的Matt Karesh说："这种方法真正有趣的地方在于，对于目前大多数增材制造技术来说，有罩子的叶轮基本上是不可触及的，因为它们需要所有传统的支持结构。"我们采用的不是无支撑，而是减少支撑的方法。Mohawk表示他们最终不需要护罩，但护罩会使其部件更好，所以他们通常是将附加这个通常极难打印的东西之后再把它切掉。使用Velo3d的技术，他们能够在叶轮上建立一次性护罩，获得他们想要的机翼和流道形状，然后是非常简单的加工操作来移除护罩。"

据Mohawk工程师RochelleWooding表示，表面处理是另一个重点："在我们早期的迭代中，表面有点粗糙。牺牲护罩的有趣之处在于，它为我们提供了一条通过叶片的流道，我们可以利用挤压珩磨来修正粗糙度。我们需要进一步反复讨论，以确定在叶片上添加多少材料来达到我们想要的叶片厚度。我们取得的最终表面光洁度与铸造件相当，在空气动力学匹配我们的目的。"

未来的测试，前景展望

接下来的步骤是用新叶轮改装AORB，并在现场条件下进行测试。Jose Luis Cordova说："我们期望这两项任务的成功执行将充分证明由LPBF技术提供的3D打印Inconel部件是制造涡轮机械部件的一个可行的、可靠的替代方案。使用增材制造技术制造其他鼓风机部件（如外壳和涡流）的工作已经在进行中。

Jose Luis Cordova总结道:"通过这些能源部资助的项目，我们已经能够开发出一个通用部件库。基于最初的想法，我们现在至少有三个完全不同的平台，可以为不同的动力能力服务，以支持未来清洁能源的进展。"