Bộ phận tế bào nhiên liệu in 3D làm giảm chi phí (Rất nhiều)

Bộ phận tế bào nhiên liệu in 3D làm giảm chi phí (Rất nhiều)

    Bộ phận tế bào nhiên liệu in 3D làm giảm chi phí (Rất nhiều)

    3d printing fuel cell parts
    Các bộ phận pin nhiên liệu in 3D giúp giảm chi phí (rất nhiều).

    Công nghệ cải tiến Mohawk chuyển sang Velo3D để giảm giá máy thổi tái chế cực dương xuống 60%.

    Hydrocacbon nổi tiếng với việc giải phóng các chất ô nhiễm khi bị đốt cháy. Tuy nhiên, có vẻ như bây giờ, có thể không phải lúc nào cũng cần đốt cháy chúng khi tạo ra năng lượng.

    Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn, nổi lên từ giai đoạn nghiên cứu - đến giai đoạn thương mại hóa - là công nghệ pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). Tiềm năng được thể hiện rõ ràng thông qua quan hệ đối tác giữa Công nghệ đổi mới Mohawk và Velo3D.

    Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đầu tư vào SOFC trong nhiều năm (750 triệu USD kể từ năm 1995, theo trang web của họ) như một phần của nỗ lực không ngừng để sản xuất năng lượng khử cacbon.

    DOE mô tả SOFC là một thiết bị điện hóa sản xuất điện trực tiếp từ quá trình oxy hóa nhiên liệu hydrocacbon (thường là khí tự nhiên), đồng thời loại bỏ bước đốt cháy thực tế. Về cơ bản, SOFC hoạt động giống như một loại pin có tuổi thọ vô hạn liên tục được sạc lại - mà không cần đốt cháy khí để sạc lại nó.

    Gói nhỏ, sản lượng năng lượng lớn

    Jose Luis Cordova, Ph.D., VP Kỹ thuật tại Mohawk Innovative Technology Inc. (MITI), cho biết:

    Pin nhiên liệu oxit rắn rất hấp dẫn vì chúng tạo ra nhiều năng lượng trong các gói rất nhỏ.

    Làm việc trong một số chương trình do DOE tài trợ, Mohawk là một công ty 28 tuổi, Albany, có trụ sở tại New York, chuyên về 'CleanTech' - thiết kế máy móc tuốc bin không dầu hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí, tác động môi trường thấp và không có dầu. các sản phẩm bao gồm máy phát điện tăng áp năng lượng tái tạo, máy nén / máy thổi turbo không dầu và động cơ điện.

    Jose Luis Cordova cho biết: “SOFC rất nhỏ gọn và có thể được xây dựng tại một nhà máy, sau đó được vận chuyển đến địa điểm cụ thể nơi chúng cần thiết để hỗ trợ sản xuất năng lượng phân tán.

    “Ngược lại với nhà máy điện tập trung, đa công suất thông thường, tốn hàng tỷ đô la và nhiều năm để thiết lập. SOFC cũng rất hiệu quả. Không giống như pin thông thường, chúng không bị mất điện theo thời gian vì miễn là bạn cung cấp thuốc thử, bạn có thể tiếp tục các phản ứng điện hóa vô thời hạn ”.

    Mặc dù hơn 40.000 đơn vị pin nhiên liệu 100 kilowatt (mỗi pin có thể cung cấp năng lượng cho 50 ngôi nhà) đã được xuất xưởng trên toàn thế giới vào năm 2019, việc áp dụng rộng rãi công nghệ này đã bị hạn chế do nhiều thành phần SOFC đắt tiền để sản xuất và các thành phần này bị mòn ra ngoài nhanh chóng nhờ sự tiếp xúc với chính các loại khí làm cho hoạt động của chúng rất hiệu quả.

    Đối mặt với các vấn đề về chi phí và độ bền

    Để giúp vượt qua những thách thức như vậy, Mohawk đã thiết kế một số bộ phận quan trọng đó để có tuổi thọ cao hơn và hiệu quả cao hơn. Một ví dụ là máy thổi khí tái chế khí cực dương (AORB) - một thành phần thiết yếu của 'nhà máy cân bằng' (máy móc hỗ trợ ngăn xếp nhiên liệu của SOFC).

    Trong quá trình hoạt động, mỗi pin nhiên liệu chỉ sử dụng khoảng 70% lượng khí được nạp vào. Phần còn lại của khoảng 30% đi qua hệ thống cùng với nước (một sản phẩm của phản ứng điện hóa).

    Jose Luis Cordova nói: “Bạn không muốn vứt bỏ khí đốt hoặc nước còn sót lại, bạn muốn đưa chúng trở lại giai đoạn đầu của quá trình. “Và đó là nơi AORB xuất hiện; về cơ bản nó là một máy nén hoặc quạt áp suất thấp tái chế khí thải và đưa nó về phía trước pin nhiên liệu. "

    Jose Luis Cordova cho biết: “Các nhà thiết kế nhà máy cân bằng SOFC đã nghĩ rằng chiếc quạt gió này sẽ là một thiết bị độc quyền,” Jose Luis Cordova cho biết (một nhà máy SOFC 250 kW điển hình sẽ sử dụng hai trong số chúng]).

    “Nhưng do quá trình xử lý khí trong hệ thống, máy thổi truyền thống có xu hướng bị ăn mòn và biến chất; hydro trong hỗn hợp tấn công các hợp kim của máy thổi và cũng làm hỏng các nam châm và các thành phần điện của động cơ cung cấp năng lượng cho máy thổi. Hầu hết các máy thổi cũng chứa chất bôi trơn, như dầu, cũng bị phân hủy ”.

    “Vì vậy, bạn sẽ kết thúc với máy thổi có độ tin cậy rất thấp - chiếm một phần đáng kể chi phí cân bằng của nhà máy - và nhà máy SOFC của bạn cần đại tu sau mỗi 2-4 nghìn giờ.”

    Thống kê này không đạt được mục tiêu của DOE là có tuổi thọ hoạt động là 40.000 giờ cho một SOFC điển hình và giảm chi phí lắp đặt từ mức trung bình 12.000 đô la / kWe (kilowatt năng lượng điện) xuống còn 900 đô la / kWe.

    Jose Luis Cordova cho biết: “Vì vậy, chúng tôi nhận ra rằng công nghệ bạc đạn (CFB) độc quyền, không chứa dầu, tuân thủ theo quy định của Mohawk, các lớp phủ chuyên dụng và chuyên môn chế tạo máy tuabin hàng thập kỷ là rất phù hợp cho thử thách này.

    AM đưa ra câu trả lời

    Tài trợ của DOE đã cung cấp phương tiện để Mohawk thiết kế và thử nghiệm các nguyên mẫu AORB trong nhà máy điện SOFC trình diễn do FuelCell Energy điều hành. Thử nghiệm nghiêm ngặt trong các điều kiện hoạt động thực tế đã đo độ bền và hiệu suất.

    Các phiên bản mới nhất cho thấy không có sự xuống cấp đáng kể trong các bộ phận hoặc đầu ra và loại bỏ hoàn toàn mọi vấn đề về hiệu suất hoặc độ tin cậy.

    Tuy nhiên, chi phí của AORB vẫn ở mức cao 

    cao - một phần lớn là do bánh công tác ly tâm tốc độ cao, hoạt động liên tục trong điều kiện ứng suất cơ và nhiệt khắc nghiệt.

    Để có tuổi thọ cao nhất, bộ phận này phải được làm từ các vật liệu siêu hợp kim đắt tiền, có độ bền cao, dựa trên niken, chống ăn mòn như Inconel 718 hoặc Haynes 282, rất khó gia công hoặc đúc. Để đạt được hiệu quả khí động học tối ưu trong một cánh quạt đòi hỏi phải có hình học ba chiều phức tạp, đây là một thách thức để chế tạo.

    Ngoài ra, do tính chất sơ khai của thị trường SOFC hiện tại, các cánh quạt được sản xuất theo lô tương đối nhỏ, và tính kinh tế theo quy mô rất khó thực hiện.

    Như bạn có thể tưởng tượng, sản xuất phụ gia cung cấp một câu trả lời thuyết phục để giảm chi phí sản xuất. Trong khi dự án ban đầu với FuelCell Energy đang được phát triển, Mohawk cũng đang nhận được cuộc gọi từ các nhóm R&D tìm kiếm sự trợ giúp với các thiết kế thành phần pin nhiên liệu của riêng họ.

    Jose Luis Cordova cho biết: “Bởi vì nhiều nhà sản xuất và tích hợp này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, mỗi nhà sản xuất đều có một điều kiện hoạt động khác nhau. “Việc sử dụng phương pháp sản xuất truyền thống, chỉ để tạo ra một số ít bánh xe hoặc dây chuyền tùy chỉnh mà họ muốn, sẽ rất tốn kém. Vì vậy, đó là nơi chúng tôi bắt đầu xem xét AM; chúng tôi đã nghiên cứu riêng về các nhà sản xuất hệ thống AM và kết nối với nhà cung cấp LPBF Velo3D. ”

    Cộng tác trên các khả năng

    Jose Luis Cordova cho biết: “Với mục tiêu giảm chi phí và cải thiện hiệu suất của SOFC, DOE rất nhiệt tình với các phương pháp sản xuất sáng tạo như AM.

    “Nguồn vốn của họ (thông qua Dự án Nghiên cứu Công nghiệp Doanh nghiệp Nhỏ) hỗ trợ mối quan hệ hợp tác hiện tại của chúng tôi với Velo3D cũng như mối quan hệ trước đây của chúng tôi với FuelCell Energy. Một lợi ích bổ sung là công việc này đang giúp phát triển công nghệ in 3D nói chung khi chúng tôi ngày càng tìm hiểu sâu hơn về khả năng và tiềm năng của nó ”.

    Matt Karesh, trưởng dự án Velo3D’s Mohawk, cho biết:

    Làm việc hợp tác với các công ty như Mohawk, những người sẵn sàng cộng tác với chúng tôi và cung cấp cho chúng tôi phản hồi, thúc đẩy sự tiến bộ về các thông số và khả năng quy trình nội bộ của chúng tôi, đồng thời giúp hướng dẫn chúng tôi cách cải tiến phương pháp in của chúng tôi.

    Hiệu quả chi phí của AM

    Jose Luis Cordova cho biết: “Các bánh xe cánh quạt được sản xuất theo phương pháp truyền thống của chúng tôi có giá lên đến 15.000 đến 19.000 đô la một chiếc. “Khi chúng tôi in 3D chúng, với số lượng nhỏ khoảng tám chiếc thay vì một chiếc cùng một lúc, con số này giảm xuống còn 500 đến 600 đô la - một mức giảm chi phí rất đáng kể.”

    “Ngoài việc cắt giảm chi phí sản xuất, LPBF là một công nghệ có thể cung cấp cho chúng tôi sự linh hoạt trong thiết kế mà chúng tôi đang tìm kiếm. AM không quan tâm đến số lượng cánh của cánh quạt, góc của chúng hoặc khoảng cách - tất cả đều có tác động trực tiếp đến hiệu quả khí động học. "

    Jose Luis Cordova cho biết: “Giờ đây chúng tôi có độ chính xác hình học cần thiết để đạt được cả thiết kế máy tua-bin quay hiệu suất cao hơn và giảm chi phí sản xuất liên quan.

    Chọn hợp kim hoàn hảo

    Đối với các cánh quạt in 3D trên hệ thống Sapphire Velo3D (tại Duncan Machine, nhà sản xuất theo hợp đồng trong mạng lưới toàn cầu của Velo3D), lựa chọn đã được thực hiện để sử dụng Inconel 718 - một trong những hợp kim dựa trên niken có khả năng chịu nhiệt độ cao có thể chịu được áp lực của luân chuyển tốt nhất.

    Hannah Lea, một kỹ sư cơ khí tại Mohawk, cho biết:

    Inconel rất hấp dẫn đối với chúng tôi vì nó đủ trơ về mặt hóa học và vẫn giữ được các đặc tính cơ học ở nhiệt độ khá cao, chắc chắn vượt qua nhôm hoặc titan.

    Mặc dù Velo3D đã chứng nhận Inconel 718 cho máy của họ, Mohawk đã thực hiện các nghiên cứu tài liệu bổ sung để bổ sung thêm kiến ​​thức về phiên bản in 3D của siêu hợp kim.

    Hannah Lea cho biết: “Các thử nghiệm của chúng tôi đã chứng minh rằng Inconel 718 được in 3D LPBF có các đặc tính cơ học, như ứng suất chảy và khả năng chịu dão, cao hơn so với vật liệu đúc,” Hannah Lea cho biết. “Điều này là quá đủ cho các ứng dụng máy nén và máy thổi ly tâm ứng suất cao trong phạm vi nhiệt độ hoạt động.”

    Lặp lại dễ dàng

    Khi công việc cánh quạt của họ tiến triển, các kỹ sư của Mohawk đã hợp tác với các chuyên gia của Velo3D về các lần lặp lại thiết kế, sửa đổi và chiến lược in.

    “Điều đó thực sự thú vị vì chúng tôi không phải thực hiện bất kỳ thay đổi thiết kế lớn nào đối với cánh quạt ban đầu mà chúng tôi đang làm việc - với hệ thống Sapphire của Velo3D, chúng tôi có thể in những gì mình muốn”, Jose Luis Cordova cho biết. “Chúng tôi đã thực hiện một số điều chỉnh quy trình và tinh chỉnh về cân nhắc cấu trúc hỗ trợ và sửa đổi hoàn thiện bề mặt.”

    Khi dự án cánh quạt tiến triển, AM cung cấp thời gian quay vòng nhanh hơn nhiều so với quá trình đúc hoặc phay cho phép, vì các bộ phận có thể được in, đánh giá, lặp lại và in lại một cách nhanh chóng. Trong các lần chạy in 3D tiếp theo, nhiều ví dụ về thiết kế cánh quạt cũ và mới có thể được thực hiện đồng thời trên cùng một tấm xây dựng để so sánh kết quả.

    Kích thước tương đối nhỏ của cánh quạt (60mm đường kính) 

    đòi hỏi nhóm phát triển một 'tấm vải liệm hy sinh' - một vỏ bọc được in tạm thời để giữ các lưỡi kiếm đúng trong quá trình sản xuất.

    Tấm vải liệm hy sinh và bề mặt nhẵn hơn

    Matt Karesh, Velo3D’s nói:

    Điều thực sự thú vị về cách tiếp cận này là các cánh quạt được che phủ, đối với hầu hết các công nghệ phụ gia hiện tại, về cơ bản là không thể chạm tới vì tất cả các cấu trúc hỗ trợ truyền thống mà chúng yêu cầu.

    “Chúng tôi đã sử dụng cách tiếp cận không hỗ trợ mà là giảm hỗ trợ. Mohawk đã nói, "Cuối cùng thì chúng tôi không cần tấm vải liệm, nhưng tấm vải liệm giúp phần của chúng tôi tốt hơn, vì vậy chúng tôi sẽ đính kèm thứ thường cực kỳ khó in này - và chỉ cần cắt nó đi sau đó."

    “Bằng cách sử dụng công nghệ của Velo3d, họ có thể chế tạo tấm vải liệm dùng một lần đó lên cánh quạt của mình, có được hình dạng cánh gió và đường dẫn dòng chảy mà họ muốn, sau đó, chỉ cần một thao tác gia công rất đơn giản là có thể tháo tấm vải liệm”.

    Kỹ sư Mohawk, Rochelle Wooding, hoàn thiện bề mặt là một trọng tâm khác:

    Bề mặt hơi gồ ghề trong những lần lặp lại đầu tiên của chúng tôi.

    “Điều thú vị về tấm vải liệm hiến tế là nó cho chúng tôi một đường dẫn dòng chảy qua các lưỡi kiếm mà chúng tôi có thể sử dụng để chỉnh sửa độ nhám bằng cách sử dụng mài đùn; phải thực hiện thêm một số lần nữa để xác định lượng vật liệu cần thêm vào các lưỡi dao để đạt được độ dày lưỡi dao cần thiết mà chúng tôi muốn. Độ hoàn thiện bề mặt cuối cùng mà chúng tôi đạt được có thể so sánh với độ hoàn thiện của một bộ phận đúc và phù hợp với mục đích của chúng tôi về mặt khí động học. ”

    Thử nghiệm trong tương lai, triển vọng tương lai

    Các bước tiếp theo là trang bị thêm các AORB với các cánh quạt mới và kiểm tra chúng trong điều kiện hiện trường. Jose Luis Cordova cho biết: “Chúng tôi kỳ vọng rằng việc thực hiện thành công hai nhiệm vụ này sẽ chứng minh đầy đủ rằng các bộ phận Inconel in 3D được cung cấp bởi công nghệ LPBF là một giải pháp thay thế khả thi và đáng tin cậy để sản xuất các bộ phận máy tua-bin. Công việc đang được tiến hành bằng cách sử dụng AM cho các bộ phận quạt gió khác như vỏ và dây dẫn.

    “Thông qua các dự án do DOE tài trợ này, chúng tôi đã có thể phát triển một thư viện gồm các bộ phận chung. Dựa trên ý tưởng ban đầu, chúng tôi hiện có ít nhất ba nền tảng hoàn toàn khác nhau có thể phục vụ các khả năng năng lượng khác nhau để hỗ trợ sự tiến bộ cho năng lượng sạch trong tương lai, ”Jose Luis Cordova kết luận.

    Zalo
    Hotline