MohawkとVelo3Dは、エネルギー処理コストを大幅に削減できる3Dプリント燃料電池デバイスの新技術の開発に協力しています。

この投稿は warrior bear によって 2022-10-23 22:24 に最後に編集されました。

はじめに: 炭化水素が燃焼すると汚染物質を放出することはよく知られています。しかし、今では、燃焼させずにエネルギーを生成することもできるようです。
2022年10月23日、南極熊は、モホーク・イノベーション・テクノロジーズとVelo3Dが固体酸化物燃料電池（SOFC）技術を共同開発したことを知りました。これはエネルギー調製の有望な新技術です。Velo3Dの協力により、アノード排ガス回収ブロワーの価格が60％削減され、研究段階から実用化段階に入りました。
△ アノード排ガス回収ブロワー米国エネルギー省（DOE）は、エネルギー生産の脱炭素化に向けた継続的な取り組みの一環として、長年にわたりSOFCに投資してきました（同省のウェブサイトによると、1995年以降7億5000万ドル）。米国エネルギー省は、SOFC を、実際の燃焼ステップを省き、炭化水素燃料 (通常は天然ガス) の酸化から直接電気を生成する電気化学デバイスであると説明しています。基本的に、SOFC は、充電用のガスを燃焼させる必要がなく、継続的に充電される無期限バッテリーのようなものです。
小さなパッケージで大きなエネルギー出力 「固体酸化物燃料電池は、非常に小さなパッケージで大量のエネルギーを生産するため、非常に魅力的です」と、モホークテクノロジーズイノベーションズ (MITI) のエンジニアリング担当副社長、ホセルイスコルドバ博士は述べています。モホークはニューヨーク州アルバニーに拠点を置く 28 年の歴史を持つ企業で、「クリーンテクノロジー」を専門としています。再生可能エネルギーターボ発電機、オイルフリーターボコンプレッサー/ブロワー、電動モーターなど、効率的で経済的、環境への影響が少ないオイルフリーターボ機械製品の設計を行っています。
「SOFC はコンパクトで、工場で製造し、分散型エネルギー生産をサポートするために必要とされる特定の場所に輸送することができます」とホセ・ルイス・コルドバは述べています。「これは、数十億ドルの費用と何年もかけて建設されることが多い、通常の集中型のマルチメガワット発電所とは対照的です。また、SOFC は非常に効率的です。通常のバッテリーとは異なり、試薬を供給している限り、電気化学反応をほぼ無限に継続できるため、時間が経っても電力が失われません。」
△ Mohawk Innovations と Velo3D は、燃料電池コンポーネントを 3D プリントしてコストを (大幅に) 削減するために協力しています。
2019年には、100キロワットの燃料電池（それぞれ50世帯に電力を供給可能）が4万台以上世界中に出荷されたが、多くのSOFC部品の製造コストが高いため、この技術の広範な採用は制限されている。これらの部品は、効率的に動作するために必要なガスにさらされるため、すぐに摩耗してしまうのだ。
コストと耐久性の問題に直面 これらの課題を克服するために、Mohawk は寿命を延ばし、動作効率を向上させるためにいくつかの主要コンポーネントを設計しました。典型的な例は、アノードオフガス回収ブロワー (AORB) です。これは、「バランスオブ機器」(SOFC 燃料スタックをサポートする機械) の重要なコンポーネントです。
「作動中、各燃料電池は入力ガスの約 70 パーセントしか使用しません」とホセ氏は言います。「残りの約 30 パーセントは、電気化学反応の生成物である水とともにシステムから直接排出されます。残ったガスや水を無駄にしたくないので、プロセスの最初に送り返します。ここで AORB の出番です。これは基本的に、排気ガスをリサイクルして燃料電池の前端に戻す低圧コンプレッサーまたはファンです。」
「典型的な 250 kW の SOFC プラントでは、このブロワーを 2 台使用します」と Jose 氏は言います。「SOFC プラント周辺設計者は、このブロワーが既製のユニットであると想定しています。しかし、従来のブロワーは、システム内のプロセスガスによる腐食や劣化の影響を受けやすいのです。混合物に含まれる水素はブロワーの合金を攻撃し、ブロワーに動力を供給するモーターの磁石や電気部品を損傷することもあります。ほとんどのブロワーには、油などの潤滑剤も含まれており、これも劣化する可能性があります。そのため、ブロワーの信頼性は非常に低く (プラント周辺コストの大部分を占めます)、SOFC プラントは 2,000 ～ 4,000 時間ごとにオーバーホールが必要になります。」
この統計は、一般的な SOFC の動作寿命である 40,000 時間に対して、設置コストを平均 12,000 ドル/kW (キロワット電力) から 900 ドル/kW に削減するという米国エネルギー省の目標には遠く及びません。
「そのため、モホーク社独自のオイルフリーコンプライアントフォイルベアリング（CFB）技術、特殊コーティング、そして何十年にもわたるターボ機械の専門知識が、この課題に最適であることがわかりました」とホセ・ルイス・コルドバ氏は語った。

付加製造が答えを提供します DOE の助成金により、Mohawk 社は FuelCell Energy 社が運営する SOFC 実証プラントで AORB プロトタイプを設計およびテストする手段を得ることができました。実際の動作条件下での厳格なテストにより、耐久性とパフォーマンスを測定します。最新バージョンでは、コンポーネントや出力に目立った劣化は見られず、パフォーマンスや信頼性の問題は完全に解消されています。
しかし、 AORBのコストは依然として高額です。これは主に、極度の機械的ストレスと熱的ストレスの下で継続的に動作する高速遠心インペラによるものです。最大限の耐用年数を達成するには、部品は、機械加工や鋳造が難しいインコネル 718 やヘインズ 282 などの高価な高強度ニッケルベースの耐腐食性超合金材料で作られている必要があります。インペラで最適な空気力学的効率を達成するには、複雑な 3 次元形状が必要であり、これを製造するのは困難です。さらに、現在の SOFC 市場はまだ初期段階であるため、インペラの生産バッチは比較的小規模であり、規模の経済を達成することは困難です。

「ご想像のとおり、積層造形は製造コストの削減に魅力的な解決策を提供します」とホセ・ルイス・コルドバは述べています。「FuelCell Energy との最初のプロジェクトが進むにつれて、Mohawk は、独自の燃料電池コンポーネント設計に関する支援を求める R&D グループからの電話も受けました。これらのメーカーやインテグレーターの多くはまだ研究段階であったため、それぞれがさまざまな動作条件を念頭に置いていました。従来の製造方法では、必要なカスタムインペラーや渦流を数個作るだけでも法外な費用がかかっていたでしょう。そこで、積層造形を検討し始めました。積層造形システムメーカーを独自に調査し、LPBF サプライヤーの Velo3D と連絡を取りました。
能力の連携
「SOFC のコスト削減と性能向上を目標に掲げるエネルギー省は、積層造形などの革新的な製造方法に熱心に取り組んでいます」とホセ・ルイス・コルドバ氏は語ります。「同省の資金援助 (中小企業産業研究プログラムを通じて) は、Velo3D との現在の取り組みだけでなく、FuelCell Energy とのこれまでの取り組みもサポートしています。さらに、この取り組みは 3D 印刷技術の能力と可能性についてさらに理解を深めることにより、3D 印刷技術全体の進歩にも役立っています。」
Velo3D の Mohawk プロジェクトリーダーである Matt Karesh 氏は、次のように述べています。「Mohawk のような、私たちと協力し、フィードバックを提供してくれる企業と緊密に連携することで、社内のプロセスパラメータと機能が向上し、印刷方法をさらに改善するための指針が得られます。」
積層造形の費用対効果
「従来の減算法で製造されたインペラは、1 個あたり 15,000 ～ 19,000 ドルもかかります」とホセルイスコルドバは語ります。「1 個ずつではなく、8 個程度の小ロットで 3D プリントすると、コストは 500 ～ 600 ドルに下がり、大幅なコスト削減になります。製造コストの削減に加えて、LPBF は、私たちが求めていた設計の柔軟性を提供する技術です。付加製造は、インペラブレードの数、角度、ピッチに制限されません。これらはすべて、空気力学的効率に直接影響します。これにより、より高性能な回転ターボ機械設計を可能にするために必要な幾何学的精度が得られ、関連する製造コストを削減できます。」

最適な合金を選ぶ Velo3D Sapphire システム (Velo3D のグローバルネットワーク内の契約製造業者 Duncan Machine) でインペラを 3D プリントする際、温度耐性が高く、回転のストレスに最もよく耐えられるニッケルベースの合金の 1 つであるインコネル 718 を使用することを選択しました。
「インコネルは化学的に十分に不活性であり、かなり高温でも機械的特性を維持するため、アルミニウムやチタンを間違いなく上回っており、私たちにとって魅力的でした」と、モホーク社の機械エンジニア、ハンナ・リー氏は語った。
Velo3D はすでに自社のマシン向けにインコネル 718 を認定していましたが、Mohawk は超合金の 3D プリント版に関する知識を増やすために追加の材料研究を行いました。「当社のテストでは、LPBF 3D プリントされたインコネル 718 の機械的特性 (降伏応力やクリープ耐性など) が鋳造材料よりも高いことが示されました」と Hannah Lea 氏は述べています。「これは、動作温度範囲内での高圧遠心送風機およびコンプレッサー用途には十分すぎるほどです。」
反復処理が簡単に インペラの作業が進むにつれて、Mohawk のエンジニアは Velo3D の専門家と協力して、設計の反復、変更、印刷戦略を検討しました。 Jose Luis Cordova 氏は、「これは本当に興味深いことでした。使用していた元のインペラに大幅な設計変更を加える必要がなかったからです。Velo3D の Sapphire システムを利用することで、まさに必要なものを印刷できました。サポート構造の考慮と表面仕上げの変更に関して、いくつかのプロセスの調整と微調整を行いました。」と述べています。
インペラプロジェクトが進むにつれて、部品をすばやく印刷、評価、反復、再印刷できるため、積層造形によって鋳造やフライス加工よりも処理時間が短縮されました。その後の 3D プリント実行では、古いインペラ設計と新しいインペラ設計の複数の例を同じビルドプレート上で同時に作成し、結果を比較することができます。
インペラのサイズが比較的小さいため (直径 60 mm)、チームは「犠牲シュラウド」、つまり製造中にブレードの信頼性を維持するための一時的な印刷されたケースを開発する必要がありました。

犠牲シールドとより滑らかな表面
「このアプローチの本当に興味深い点は、シュラウド付きインペラは従来のサポート構造を必要とするため、現在のほとんどの積層造形技術では基本的に利用できないことです」と Velo3D の Matt Karesh 氏は言います。「サポートをなくすのではなく、サポートを減らすアプローチを採用しています。」 Mohawk 社によると、最終的にはシュラウドは必要ないが、パーツの品質が向上するため、通常は印刷が非常に難しいこの部分を取り付けた後に、シュラウドを切り取るそうです。 Velo3D のテクノロジーを使用することで、インペラ上に 1 回限りのシュラウドを構築し、必要な翼形と流路の形状を実現し、その後、非常に簡単な機械加工操作でシュラウドを取り外すことができました。「
モホーク社のエンジニア、ロシェル・ウッディング氏によると、表面仕上げももう一つの焦点だったそうです。「初期の段階では、表面が少し粗かったです。犠牲シュラウドの興味深い点は、ブレードに流れの経路ができて、押し出しホーニングで粗さを修正できることです。必要な厚さを実現するためにブレードにどのくらいの材料を追加すればよいかを判断するには、さらに繰り返し作業が必要でした。最終的に得られた表面仕上げは、鋳造品に匹敵し、空気力学的にも目的に合致していました。」
今後のテスト、展望、見通し 次のステップは、AORB に新しいインペラを取り付け、現場条件下でテストすることです。ホセ・ルイス・コルドバ氏は次のように語っています。「この 2 つのミッションの成功により、LPBF 技術によって提供される 3D プリントされたインコネル部品がターボ機械部品の製造に現実的かつ信頼性の高い代替手段であることが十分に実証されるものと期待しています。ケーシングや渦流など、その他のブロワー部品の製造に積層造形技術を使用する作業はすでに進行中です。」
ホセ・ルイス・コルドバ氏は次のように結論付けました。「これらの DOE 資金提供プロジェクトを通じて、私たちは共通部品ライブラリを開発することができました。当初のアイデアを基に、私たちは現在、将来のクリーンエネルギーの進歩をサポートするために、さまざまな電力機能を提供できる少なくとも 3 つの完全に異なるプラットフォームを持っています。」

MohawkとVelo3Dは、エネルギー処理コストを大幅に削減できる3Dプリント燃料電池デバイスの新技術の開発に協力しています。

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