在夏季热浪和冬季严寒期间保持电网正常运行是一项持续的平衡工作。绵延数英里的电线很容易受到风和火灾的影响。对制热和制冷应变能力的需求激增可能导致停电。空气污染是一个持续存在的问题。尽管太阳能和风能等替代能源解决方案在供应曲线上上升，但满足当今的能源需求仍然需要使用传统燃料来平衡混合能源。
当然，碳氢化合物在燃烧时会释放污染物。但如果你从未点燃它们呢?
固体氧化物燃料电池(SOFC)技术是一种很有前途的方法，目前正从研究阶段进入商业化阶段。美国能源部(DOE)多年来一直投资于sofc(根据其网站，自1995年以来已投资7.5亿美元)，作为能源生产脱碳工作的一部分。美国能源部将SOFC描述为一种电化学装置，它直接从碳氢燃料(通常是天然气)的氧化中产生电能，同时省去了实际的燃烧步骤。
基本上，SOFC就像一个无限寿命的电池，可以不断充电，而不需要燃烧充电的气体。
包装小，能量输出大
Mohawk innovation Technology Inc. (MITI)工程副总裁Jose Luis Cordova博士表示:“固体氧化物燃料电池很有吸引力，因为它们可以在很小的体积内产生大量的能量。莫霍克公司是一家28岁的公司，总部位于纽约奥尔巴尼，专注于“清洁技术”——设计高效、经济、环保、无油的涡轮机械产品，包括可再生能源涡轮发电机、无油涡轮压缩机/鼓风机和电动机。
Cordova说:“sofc结构紧凑，可以在工厂建造，然后运输到需要支持分布式能源生产的特定地点。”“相比之下，通常的集中式、多兆瓦的发电厂需要数十亿美元和多年的时间才能建立起来。sofc也非常高效。与普通电池不同，它们不会随着时间的推移而失去电量，因为只要你提供试剂，你就可以无限期地继续电化学反应。”
听起来很理想，2019年全球出货了4万多块100千瓦的燃料电池(每个可以为50个家庭供电)。但是，在这条道路上也有一些障碍，阻碍了该技术的广泛采用:许多SOFC组件的制造成本很高，而且由于暴露在使其运行如此高效的气体中，它们磨损得很快，令人沮丧。
面临成本和耐久性问题
为了帮助克服这些挑战，莫霍克设计了一些关键部件，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)，它是“工厂平衡”的重要组成部分——支持SOFC燃料堆栈的机械。
在运行过程中，每个燃料电池只消耗了大约70%的气体;大约30%与水(电化学反应的产物)一起直接通过系统。科尔多瓦说:“你不想扔掉剩余的气体或水，你想把它们送回这个过程的起点。”“这就是主动脉b的用武之地;它本质上是一个低压压缩机或风扇，可以回收废气，并将其返回到燃料电池的前部。”
“SOFC工厂平衡设计师认为这种鼓风机将是一个现成的单元，”Cordova说(一个典型的250千瓦SOFC工厂将使用两个鼓风机)。“但由于系统中的工艺气体，传统鼓风机往往会腐蚀和降解;混合物中的氢会破坏鼓风机的合金，还会损坏为鼓风机提供动力的电机的磁铁和电子元件。大多数鼓风机还含有润滑油，如油，也会降解。因此，你最终得到的是非常低可靠性的鼓风机，这占了工厂成本平衡的很大一部分，而且你的SOFC工厂每2000到4000小时就需要大修一次。”
这一统计数据远远低于美国能源部的目标，即典型的sofc的运行寿命为40000小时，同时安装成本也从平均12000美元/千瓦时降低到900美元/千瓦时。
是时候重新考虑那些鼓风机了!Cordova说:“因此，我们意识到莫霍克的专有、无油、合规箔轴承(CFB)技术、专用涂层和数十年的叶轮机械专业知识非常适合这一挑战。”
增材制造提供了答案
能源部的资金为莫霍克公司提供了在燃料电池能源公司运行的SOFC示范发电厂中设计和测试AORB原型的手段。在实际操作条件下进行的严格测试测量了耐久性和性能，最新版本的部件或输出没有明显退化，并且完全消除了任何性能或可靠性问题。
然而，主动脉的成本仍然高得令人望而却步，这在很大程度上是因为它的高速离心叶轮在极端的机械和热应力下连续工作。为了延长使用寿命，该部件必须由昂贵的、高强度的、镍基的、耐腐蚀的高温合金材料制成，如铬镍铁合金718或海恩斯282，这些材料很难加工或铸造。此外，在叶轮中实现最佳气动效率需要复杂的三维几何形状，这对制造是一个挑战。由于目前SOFC市场的初期性质，叶轮的生产批次相对较小，规模经济难以实现。
如何降低成本?增材制造(AM，又名3D打印)提供了一个令人信服的答案。在与燃料电池能源公司的原始项目不断发展的同时，莫霍克公司也接到了研发团队的电话，要求他们帮助设计自己的燃料电池组件。科尔多瓦说:“因为许多制造商和集成商仍处于研究阶段，每个人都有不同的操作条件。”“使用传统制造方法，只制造他们想要的少量定制叶轮或蜗壳，将是非常昂贵的。这就是我们开始研究AM的地方;我们自己对AM系统制造商进行了研究，并与激光粉末床聚变(LPBF)提供商Velo3D进行了联系。”
在能力上协作
Cordova说，美国能源部的目标是降低成本和提高sofc的性能，它对AM等创新制造方法充满热情。“他们(通过小企业工业研究项目)的资助支持了我们目前与Velo3D以及之前与燃料电池能源公司的合作。另一个好处是，这项工作有助于推动3D打印技术的发展，因为我们越来越了解它的能力和潜力。”
Velo3D的莫霍克项目负责人马特·卡雷什对此表示赞同。他说:“与莫霍克这样的公司携手合作，他们愿意与我们合作，并为我们提供反馈，推动我们内部工艺参数和能力的进步，并帮助指导我们如何更好地改进我们的打印方法。”
价格惊喜
转向AM让人大开眼界:“我们传统的减法制造叶轮每个售价高达1.5万至1.9万美元，”科尔多瓦说。“当我们3D打印它们时，一次大约8个单元的小批量打印，而不是一个单元，成本下降到500到600美元，这是一个非常显著的成本降低。
“除了降低制造成本，LPBF技术还可以为我们提供我们正在寻找的设计灵活性。AM与叶轮叶片的数量、角度或间距无关——所有这些都对气动效率有直接影响。我们现在拥有了实现更高性能旋转叶轮机械设计所需的几何精度，并降低了相关的制造成本。”
挑选完美的合金
对于Velo3D Sapphire系统上的3D打印叶轮(在Velo3D全球网络的合同制造商Duncan Machine)，选择使用Inconel 718 -一种镍基合金，具有很强的耐温性，能够承受最好的旋转应力。
莫霍克机械工程师汉娜·利说:“铬镍铁合金对我们非常有吸引力，因为它的化学惰性足够强，在相当高的温度下仍能保持其机械性能，绝对超过铝或钛。”
虽然Velo3D已经为他们的机器认证了Inconel 718，但莫霍克公司还进行了额外的材料研究，以增加关于3d打印版高温合金的知识。Lea说:“我们的测试表明，LPBF 3d打印的铬镍铁合金718具有比铸造材料更高的机械性能，如屈服应力和蠕变耐受性。”“这对于工作温度范围内的高应力离心式鼓风机和压缩机应用来说绰绰有余。”
简化迭代
随着叶轮工作的进展，莫霍克的工程师与Velo3D专家合作进行设计迭代、修改和打印策略。科尔多瓦说:“这真的很有趣，因为我们不需要对原来的叶轮进行任何重大的设计更改——使用Velo3D的蓝宝石系统，我们可以打印出我们想要的东西。”“我们确实在支撑结构和表面光洁度方面做了一些工艺调整和调整。”
当然，调整只是设计工程师在办公室的另一天。随着叶轮项目的进展，AM提供了比铸造或铣削所允许的更快的周转时间，因为零件可以快速打印、评估、迭代和再次打印。在随后的3D打印运行中，多个新旧叶轮设计示例可以同时在同一个构建板上进行比较。
由于叶轮的尺寸相对较小(直径为60毫米)，研究小组不得不开发一种“牺牲保护罩”——一种在制造过程中保持叶片真实的临时打印外壳。
祭祀用的寿衣和光滑的表面
Velo3D的Karesh说:“这种方法的真正有趣之处在于，对于目前大多数添加剂技术来说，由于需要所有传统的支撑结构，遮蔽叶轮基本上是不可触摸的。”“我们使用的不是无支持，而是减少支持的方法。莫霍克说，“我们最终不需要裹尸布，但裹尸布让我们的部分更好，所以我们会附上这个通常很难打印的东西，然后把它剪掉。”使用Velo3d的技术，他们能够在叶轮上建造一次性的叶冠，得到他们想要的翼型和流道形状，然后通过非常简单的加工操作来移除叶冠。”
表面光洁度是另一个关注点。莫霍克的工程师Rochelle Wooding说:“在我们早期的迭代中，表面有点粗糙。关于祭祀罩的有趣之处在于它给了我们一个通过叶片的流动路径我们可以用挤压珩磨来修正粗糙度;为了达到我们想要的叶片厚度，需要进一步迭代来确定向叶片中添加多少材料。我们最终实现的表面光洁度与铸件相当，符合我们的空气动力学目的。”此外，所有保证叶轮正常工作的关键设计尺寸均在公差范围内。
未来的考验，未来的展望
下一步是用新的叶轮改造主动脉，并在现场条件下进行测试。Cordova说:“我们希望这两项任务的成功执行将充分证明，由LPBF技术提供的3d打印铬镍铁合金部件是制造叶轮机械部件的可行和可靠的替代方案。”工作已经开始使用AM用于其他鼓风机部件，如外壳和蜗壳。
科尔多瓦特别为两位年轻的女工程师的专业证书和职业道德感到自豪，她们最近一直在参与这些内部项目。“我从来没有觉得我在这里过得很轻松，”伍德说。“但我真的很喜欢!”
她也敏锐地意识到他们正在做的事情的更大价值:“通过这些美国能源部资助的项目，我们已经能够开发一个通用部件的图书馆。基于最初的想法，我们现在至少有三个完全不同的平台，可以提供不同的电力能力，以支持未来清洁能源的进步。”
Velo3d
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