3D打印-增材制造固体氧化物燃料电池发电单元中的鼓风机，大幅降低成本
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 技术是一种有前途的绿色能源，现在从研究阶段进入商业化。根据3D科学谷的市场了解，美国能源部 (DOE) 多年来一直对 SOFC 进行投资（自 1995 年以来已投资 7.5 亿美元），作为正在进行的能源生产过程中脱碳努力的一部分。美国能源部将 SOFC 描述为一种电化学装置，它直接通过碳氢燃料（通常是天然气）的氧化来发电，同时消除了实际的燃烧步骤。
一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。其中，阳极废气循环鼓风机 (AORB)是“设备平衡”的重要组成部分——通过AORB来支持 SOFC 燃料堆的正常运转。而3D打印可以在阳极废气循环鼓风机 (AORB)实现设计的灵活性与制造的经济性的平衡结合。
3D打印鼓风机叶轮
© MOHAWK
21世纪的绿色能源
固体氧化物燃料电池很有吸引力，因为它们在非常小的封装中产生大量能量，基本上，SOFC 就像一个无限寿命的电池，不断地被充电——而不会燃烧给它充电的气体。
根据百度百科，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。
SOFC 结构紧凑，可以在工厂制造，然后运输到需要支持分布式能源生产的特定地点，相比于通常需要数十亿美元和多年才能建立的集中式多兆瓦发电厂，SOFC 非常有效。与普通电池不同，它们不会随着时间的推移而断电，因为只要提供试剂，就可以无限期地继续电化学反应。
2019 年全球出货了超过 40,000 台 100 千瓦SOFC燃料电池（每台能够为 50 户家庭供电）。但制造技术的挑战阻碍了SOFC被更广泛采用：许多 SOFC 组件的成本很高制造，并且由于暴露在腐蚀性气体中，这些组件很快就会磨损得令人沮丧。
解决成本和耐用性问题
Mohawk 总部位于纽约，专门从事“清洁技术”的涡轮机械组件制造，其产品组合包括可再生能源涡轮发电机、无油涡轮压缩机/鼓风机和电动机。
为了帮助克服这些挑战，Mohawk 设计了SOFC燃料电池的一些关键部件，以延长使用寿命和提高效率。一个例子是阳极废气循环鼓风机 (AORB)。
在运行期间，每个燃料电池仅使用其所供给的气体的约 70%；大约 30% 与水（电化学反应的产物）一起直接通过系统。如果不想扔掉剩余的气体或水，就需要想把它们送回过程的开始，这就是阳极废气循环鼓风机 (AORB)的用武之地：AORB本质上是一个低压压缩机或风扇，回收废气并将其返回燃料电池发电单元的前部。
由于SOFC燃料电池系统中的工艺气体，传统鼓风机容易腐蚀和降解；混合物中的氢会侵蚀制造鼓风机的合金，还会损坏为鼓风机提供动力的电机的磁铁和电气元件。因此， SOFC燃料电池通常需要每两千小时到四千小时进行一次大修。
这一统计数据远远低于美国能源部 DOE 的目标，即典型 SOFC 的运行寿命为 40,000 小时，并且安装成本从平均 12,000 美元/千瓦（电能）降低到 900 美元/千瓦。
增材制造发挥价值
通过传统制造的阳极废气循环鼓风机 (AORB)的成本高得令人望而却步——这在很大程度上是由于其高速离心叶轮，该叶轮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，该零件必须由昂贵的高强度镍基耐腐蚀超级合金材料制成，例如难以加工或铸造的 Inconel 718 或 Haynes 282。
此外，在叶轮中实现最佳空气动力学效率需要复杂的 3D 几何形状，这对传统制造来说是一个挑战。并且由于目前SOFC市场还处于的初期发展的性质，叶轮生产的批量相对较小，难以实现规模制造经济。
如何降低成本？3D打印-增材制造提供了令人信服的答案。使用传统制造技术，只制造他们想要的少数定制叶轮或蜗壳，成本会非常高。美国能源部DOE 的目标是降低成本并提高 SOFC 的性能，因此对3D打印-增材制造等创新制造方法充满热情。
通过美国能源部DOE的资金支持 （小型企业工业研究项目资金） ，Mohawk与 Velo3D 合作改用增材制造技术来加工阳极废气循环鼓风机 (AORB)，结果令人大开眼界：通过传统的减材制造叶轮每个售价高达 15,000 至 19,000 美元，而当3D 打印它们时，成本下降到 500 到 600 美元——成本降低非常显着。
© 3D科学谷白皮书
更重要的，LPBF激光熔融金属3D打印可以提供所需设计灵活性的技术。AM增材制造实现的设计自由度与叶轮叶片的数量、角度或间距无关——所有这些都对空气动力学效率有直接影响。通过3D打印可以实现更高性能旋转涡轮机械设计，达到所需的几何精度，并且降低相关制造成本。
测试表明，通过LPBF激光熔融金属3D 打印的 Inconel 718 具有高于铸造材料的机械性能，例如屈服强度和蠕变耐受性，这对于高应力离心鼓风机和压缩机应用来说绰绰有余。
此外，使用 Velo3D 的技术，团队能够在叶轮上构建一次性护罩，获得他们想要的翼型和流路形状，然后通过非常简单的机加工操作来移除加工余量。表面处理是另一个重点，牺牲护罩的有趣之处在于，提供了一条穿过叶片的流动路径，研究开发团队可以使用该路径通过挤压珩磨来校正粗糙度，最终表面光洁度与传统制造方式获得的相当，并且符合空气动力学目的。更重要的是，所有使叶轮正常运行的关键设计尺寸都在公差范围内。
(责任编辑：admin)
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