保持电网运行通过夏季热浪和冬季冻结深度是一个持续的平衡。绵延数英里的电线,容易受到风和火。加热和冷却的需求激增应变能力,这可能会导致停电。空气污染是一个持续的问题。尽管太阳能和风能等替代能源解决方案供给曲线上升,会议今天的能源需求仍然需要使用传统燃料来源来平衡。
图片来源:莫霍克创新技术
当然碳氢化合物燃烧时释放的污染物。但是如果你从来没有点燃他们呢?
一个有前途的方法,现在新兴的研究进入商业化阶段,固态氧化物燃料电池(SOFC)技术。美国能源部(DOE)多年来一直投资于固体氧化物燃料电池(7.5亿美元自1995年以来,根据他们的网站)作为持续努力的一部分,减碳能源生产。能源部描述了一种固体氧化物燃料电池作为一种电化学装置,直接从碳氢化合物燃料的氧化产生电力(通常是天然气),而实际消除燃烧的一步。
基本上,一个固体氧化物燃料电池就像一个无限的生活电池充电不断recharged-without燃烧气体。
小包裹,大能量输出
“固体氧化物燃料电池很有吸引力,因为他们产生很多的能量非常小的包,”何塞·路易斯·科尔多瓦说,博士,工程副总裁莫霍克创新技术有限公司(通商)。许多DOE-funded项目工作,莫霍克是a28岁,奥尔巴尼,纽约的公司专门从事“清洁技术”——设计高效、符合成本效益,环境影响较低,无油涡轮机械产品,包括可再生能源发电机组,无油涡轮压缩机/鼓风机,电动马达。
“固体氧化物燃料电池是紧凑的,可以建立一家工厂,然后运输到特定的网站,他们需要支持分布式能源生产,”科尔多瓦说。“对比,在通常的集中,multimegawatt发电厂需要数十亿美元和多年来设置。固体氧化物燃料电池也很有效。与普通电池,他们不因为失去了权力,只要您提供电化学反应的试剂可以继续下去。”
听起来很理想,超过40000台100千瓦的燃料电池(每个功率要大50家)在2019年被运往全球。但已经有疙瘩在路上放缓更广泛采用的技术:许多固体氧化物燃料电池组件生产很昂贵,而且,由于接触的气体使他们的操作效率,他们迅速磨损令人沮丧。
面临着成本和耐用性问题
帮助克服这些挑战,莫霍克族设计了其中一些关键部分时间生活和更高的效率。一个例子是阳极offgas回收风机(AORB),一个重要组成部分的“平衡的植物”——机械支持固体氧化物燃料电池的燃料堆栈。
在操作过程中,每一个燃料电池只使用大约70%的气体是美联储;大约30%通过正确的通过系统以及水(电化学反应的产物)。“你不想扔掉剩余的气体或水,你想送他们回到一开始的过程中,“科尔多瓦说。“这就是AORB进来;它本质上是一个低压压缩机或回收排气风扇,并返回该燃料电池的前面。”
“SOFC balance-of-plant设计师认为这个鼓风机将是一个现成的单位,“表示科尔多瓦(一个典型的250千瓦固体氧化物燃料电池工厂将采用两个)。“但是由于过程气体系统中,传统的鼓风机往往腐蚀和降低;氢在合金混合攻击以及损害赔偿的风机是由磁铁和电器元件的发动机功率的风机。大多数鼓风机也含有润滑剂,像石油降解。所以你最终得到的可靠性差blowers-representing很大一部分balance-of-plant请设想你的固体氧化物燃料电池工厂需要全面改革每两到四千小时。”
这个数据远远低于美国能源部的一个操作的目标寿命达40000小时为一个典型的SOFC-as以及减少安装成本从平均12000美元/ kWe(千瓦的电能)/ kWe 900美元。
时间重新思考那些鼓风机!“我们意识到,莫霍克的专有的,无油,兼容的箔片轴承(CFB)技术,专业涂料,和几十年的涡轮机械专业知识是一个适合这个挑战,”科尔多瓦说。
加法制造提供答案
能源部提供资金的莫霍克在演示原型设计和测试AORB固体氧化物燃料电池电站由FuelCell能量。严格的测试在实际操作条件下测量了耐用性和性能,展示最新的版本没有显著恶化或输出部分和完全消除任何性能或可靠性问题。
然而AORB仍然非常时髦的成本很大程度上是因为其高速离心叶轮、运营不断在极端的机械和热应力。最长的生命,这部分必须由贵,高强度,镍基耐蚀高温合金材料,比如铬镍铁合金海因斯718或282年,很难被机器或演员。欧洲杯足球竞彩此外,实现最佳的空气动力学效率一个叶轮需要制造复杂的三维几何图形,是一个挑战。由于当前固体氧化物燃料电池市场的初始性质,叶轮在相对较小的生产批次,规模效益难以实现。
如何降低成本?加法制造(AM,即3 d打印)提供了一个令人信服的答案。最初的项目与FuelCell能源发展的时候,莫霍克也从研发小组得到电话寻求帮助与自己的燃料电池组件的设计。”,因为许多这样的制造商和集成商仍在研究阶段,每一个有不同的操作条件,”科尔多瓦说。“利用传统制造业,使的一些他们想要定制车轮叶轮或泵体,是非常昂贵的。这就是我们开始看我;我们做我们自己的研究是系统制造商和与laser-powder-bed融合(LPBF)提供者Velo3D。”
合作的能力
降低成本的目标和改善固体氧化物燃料电池的性能,能源部是热衷于创新的制造方法等,科尔多瓦说。“他们的资金(通过小企业工业研究项目)支持与Velo3D我们目前的合作以及我们之前有FuelCell能量。一个额外的好处是,这项工作正在帮助推动3 d打印技术是我们学习更多的关于它的功能和潜力。”
Velo3D Mohawk-project领袖马特卡雷什表示同意。“与莫霍克等公司携手合作,愿意与我们合作,给我们反馈,推动进展我们的内部过程参数和功能,帮助引导我们如何使我们的打印方法更好,”他说。
一个很好的价格意外
切换到我大开眼界:“我们的传统,可行性生产叶轮轮运行到15000到19000美元,”科尔多瓦说。“当我们3 d打印它们,在小批量的8个单位,而不是一次这降至500到600美元——一个非常显著的降低成本。
”以及降低制造成本,LPBF是技术,可以为我们提供我们所寻找的设计灵活性。我是对叶轮叶片的数量,他们的角度,或者spacing-all气动效率有直接影响。我们现在有几何精度需要实现更高性能的旋转涡轮机械的设计和制造成本降低。”
挑选完美的合金
Velo3D蓝宝石系统上对3 d印刷叶轮(Velo3D在邓肯的机器,一个合同制造商的全球网络),选择了用铬镍铁合金718 -镍基合金的耐热性强,承受的压力旋转最好。
“铬镍铁合金非常吸引我们,因为它足够惰性并保留其力学性能在很高的温度下绝对超越或钛,铝”莫霍克机械工程师汉娜Lea说。
尽管Velo3D已经认证的铬镍铁合金718机器,莫霍克并附加材料研究,以增加身体的知识3 d打印版本的高温合金。“我们的测试表明,LPBF 3 d打印的铬镍铁合金718机械性能、屈服应力和蠕变宽容,高于铸造材料,”Lea说。“这是最适合高压离心式鼓风机和压缩机的应用程序在操作温度范围内”。
迭代很容易
作为他们的叶轮工作的进展,莫霍克的工程师与Velo3D专家设计迭代,修改和打印策略。“这很有趣,因为我们没有做出任何重大设计更改原始叶轮我们与Velo3D蓝宝石系统我们可以打印我们想要什么,”科尔多瓦说。“我们做一些流程的调整和调整支撑结构的注意事项和表面光洁度的修改。”
当然调整只是另一天在办公室设计工程师。随着叶轮项目的进展,我提供更快的周转时间比铸造或铣允许,因为部分可以打印,又快速地评估、迭代和打印。在随后的3 d打印运行,多个新旧叶轮设计的例子可能同时在相同的构建板比较结果。
叶轮的规模相对较小(60毫米直径)的团队的发展需要“牺牲裹尸布”——临时打印圈地,叶片真实的生产过程。
牺牲寿衣和平滑的表面
“非常有趣的关于这种方法是笼罩叶轮,对于大多数当前的添加剂技术,基本上不可因为他们所需要的全部传统支持结构,”Velo3D的卡雷什说。“我们使用,不支持自由,但同时降低支持方法。莫霍克说,“我们不需要裹尸布最后,但裹尸布让我们更好的一部分,所以我们会把这个东西,通常很难发布后剪掉。使用Velo3d的技术,他们能够建立一次性裹尸布到叶轮、得到他们想要的机翼和流道形状,然后它是一个非常简单的加工操作删除裹尸布”。
表面光洁度是另一个焦点。罗谢尔伍丁莫霍克工程师说,“有点粗糙表面在我们早期的迭代。有趣的关于牺牲的裹尸布是它给了我们一个流通过叶片的路径,我们可以使用正确的使用挤压珩磨粗糙度;花了一些进一步的迭代确定材料的叶片来实现所需的叶片厚度,我们想要的。最终的表面光洁度我们取得了相当的一部分,空气动力学和适合我们的目的。“更重要的是,所有关键设计尺寸使适当的叶轮操作都在公差之内。
未来的测试,提出展望
下一个步骤是改造与新叶轮AORBs在现场条件和测试它们。"我们预期的成功执行这两个任务将充分证明,3 d打印的铬镍铁合金部分由LPBF技术是可行和可靠的替代方案制造涡轮机组件,”科尔多瓦说。工作已经开始使用其他风机外壳等零部件,泵体。
科尔多瓦特别骄傲的专业证书和职业道德两个年轻女性工程师一直从事这些最近的内部项目。“我从来没有觉得我有轻松的一天,”伍丁说。“但我真的很喜欢!”
她也敏锐地意识到的更大的价值,他们在做什么:“通过这些DOE-funded项目我们已经能够开发一个图书馆的公共部分。基于最初的想法,我们现在至少有三个完全不同的平台,可以为不同的功能来支持发展清洁能源的未来。”
来源:https://mohawkinnovative.com/