Mohawk 社、Velo3D でアノード排気ガス回収ブロワーの価格を 60% 削減

はじめに: 炭化水素は燃焼すると汚染物質を放出することがよく知られており、研究者は炭化水素の燃焼を必要としない方法を積極的に模索し、開発しています。これまでに研究段階から実用化段階まで到達したアプローチが1つあり、それが固体酸化物形燃料電池（SOFC）技術です。 Mohawk Innovative Technology と Velo3D は、この技術を実際に応用できるようにするために協力しました。

米国エネルギー省（DOE）は長年にわたりSOFCに投資してきました（1995年以降7億5000万ドル）。米国エネルギー省は、SOFC を、実際の燃焼プロセスを排除しながら、炭化水素燃料 (通常は天然ガス) の酸化によって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 は寿命が無限のバッテリーのように機能し、充電ガスを燃焼させることなく継続的に充電されます。

小型パッケージ、大出力
「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、非常に有望です」と、モホーク・イノベーティブ・テクノロジー (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。「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出荷できます。一方、集中型のマルチメガワット発電所は、数十億ドルと何年もかかります。SOFC は非常に効率的で、従来のバッテリーとは異なり、時間が経っても電力が失われません。ユーザーは、電気化学反応を無期限に継続するための試薬材料を提供するだけで済みます。」

ニューヨーク州アルバニーに拠点を置く創業28年の企業であるモホーク社は、再生可能エネルギータービン発電機、オイルフリーターボコンプレッサー/ブロワー、電気モーターなど、高効率、コスト効率、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に重点を置いた「クリーンテクノロジー」に焦点を当てた複数のDOE資金提供プロジェクトに取り組んできました。

△Mohawk Innovative Technologiesは、Velo3Dと提携し、燃料電池部品を3Dプリントすることでコストを削減します。

コストと耐久性の問題に直面<br /> 2019 年には、100kW 燃料電池 (それぞれ 50 世帯に電力を供給可能) が世界中で 40,000 台以上出荷されましたが、多くの SOFC コンポーネントの製造コストの高さとそれらのコンポーネントの摩耗により、この技術の広範な採用は制限されています。

これらの課題を克服するために、 Mohawk は寿命を延ばし、効率を高める主要コンポーネントを設計しました。一例として、アノード排気ガス再循環ブロワー（AORB）が挙げられます。これは、「プラントバランス」（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。

動作中、各燃料電池は供給されるガスの約 70% のみを使用します。残りの約 30% は、水 (電気化学反応の生成物) とともにシステムを直接通過します。残ったガスや水を捨てたくない場合は、プロセスの入口に送り返すことができます。ここで AORB が役立ちます。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に戻す低圧コンプレッサーまたはファンです。

従来のブロワーは、ブロワーシステム内にプロセスガスが存在するため、腐食や劣化の影響を受けやすく、混合物内の水素がブロワーの材料である合金を攻撃する可能性があり、また、ブロワーに電力を供給するモーターの磁石や電気部品を損傷する可能性もあります。ほとんどのブロワーにはオイルなどの潤滑剤も含まれていますが、これも劣化する可能性があります。その結果、ユーザーは信頼性が非常に低い送風機を使用することになり、プラントのコストが増加し、SOFC プラントは 2,000 ～ 4,000 時間ごとにオーバーホールする必要があります。この統計は、SOFC の寿命を 40,000 時間にし、設置コストを平均 12,000 ドル/kW (電気エネルギー 1 キロワット) から 900 ドル/kW に削減するというDOE 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フレキシブル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、この課題を解決するのに最適であることがわかりました」とホセ・ルイス・コルドバは述べています。

AMはソリューションを提供する
DOE の資金援助により、Mohawk 社は FuelCell Energy 社が運営する SOFC 実証発電所で 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。耐久性とパフォーマンスについて、実際の動作条件下で厳密にテストされています。最新のテスト結果では、部品や出力に大きな劣化は見られず、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あり、その主な理由は、極度の機械的ストレスと熱的ストレス下で継続的に動作する高速遠心インペラにあります。最大限の耐用年数を達成するには、この部品は、機械加工や鋳造が難しい、インコネル 718 やヘインズ 282 などの高価で強度が高く、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、SOFC市場が初期段階にあるため、インペラの生産バッチが小さく、規模の経済を達成することが困難です。

上記の問題に対処するために、付加製造が解決策を提供します。当初の FuelCell Energy プロジェクトが進展する中、Mohawk は燃料電池コンポーネントの設計に関する支援を求める R&D チームからの電話を受けました。「これらのメーカーやインテグレーターの多くは依然として運用条件が異なるため、従来の製造方法では、各社が希望するカスタムインペラーや渦巻きを数個だけ製造するにはコストがかかりすぎます」と、Jose Luis Cordova 氏は言います。「そこで私たちは AM を検討し始め、AM メーカーを調査し、LPBF サプライヤーの Velo3D とつながりました。」

能力協力
ホセ・ルイス・コルドバ氏は、「コスト削減とSOFCの性能向上を目標に、米国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おり、その資金援助（中小企業産業研究プログラムを通じて）は、当社のVelo3Dとの現在のパートナーシップやFuelCell Energyとのパートナーシップを支えています」と述べています。

「私たちと協力し、フィードバックを提供してくれる Mohawk のような企業と緊密に協力することで、社内のプロセスパラメータと機能が向上し、印刷方法の改善方法の指針が得られます」と、Velo3D の Mohawk プロジェクトリーダーである Matt Karesh 氏は述べています。

AMのコスト削減
「当社の従来の減算製造インペラは、1 個あたり最大 15,000 ～ 19,000 ドルのコストがかかります。1 個ずつではなく 8 個の小ロットで 3D プリントすると、コストは 500 ～ 600 ドルと大幅に削減されます」と、Jose Luis Cordova 氏は述べています。「製造コストの削減に加えて、LPBF は設計の柔軟性を提供できる技術です。AM では、空気力学的効率に直接影響するインペラブレードの数、角度、ピッチに制限がありません。これにより、回転ターボ機械の高性能設計を実現し、関連する製造コストを削減するために必要な幾何学的精度を実現できます。」

適切な材料の選択<br /> Velo3D Sapphire システム (Velo3D グローバルネットワークの契約製造業者 Duncan Machine) で印刷されたインペラには、より大きな支持力を可能にする耐高温ニッケルベースの合金であるインコネル 718 の使用が選択されました。

「インコネルは化学的に十分に不活性であり、非常に高い温度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います」とモホーク社の機械エンジニア、ハンナ・リー氏は語る。

Velo3D はすでにインコネル 718 を採用していましたが、Mohawk は追加の材料研究を実施し、この高温合金の 3D プリント版に関する知識を増やしました。テストの結果、LPBF 3D プリントされたインコネル 718 は、降伏応力やクリープ抵抗など、高応力の遠心送風機やコンプレッサーの用途にとって重要な機械的特性が鋳造材料よりも優れていることが示されました。

継続的な改善<br /> 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。「これは本当に興味深いことでした。なぜなら、私たちが使用していた元のインペラに大きな設計変更を加える必要がなかったからです。Velo3D の Sapphire システムにより、まさに私たちが望んでいたものを印刷することができました」と Jose Luis Cordova 氏は語ります。「サポート構造の考慮と表面粗さに関して、いくつかのプロセスの調整と変更が行われました。」

インペラプロジェクトが進むにつれて、AM では部品をすばやく印刷、評価、反復、再印刷できるため、鋳造やフライス加工よりもはるかに短い処理時間を実現できました。その後の 3D プリント実行では、同じビルドプレート上で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」、つまりブレードの実際のサイズと精度を維持するための一時的なプリント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
Velo3D の Matt Karesh 氏は、「現在のほとんどの付加的技術では、シュラウド付きインペラはサポート構造を必要とするため、基本的に印刷できません。私たちはサポートを減らす方法を使用しました」と述べています。Mohawk 氏は、「Velo3d の技術を使用することで、インペラに 1 回限りのシュラウドを構築し、希望する翼と流路の形状を取得し、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」と述べています。

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そうです。「初期の段階では、部品の表面はまだ少し粗い状態でした。犠牲シュラウドの興味深い点は、ブレードを通る流路を提供し、押し出しホーニングによって粗さを修正できることです。希望するブレードの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、さらに作業が必要です。最終的に得られた表面仕上げは鋳造品に匹敵し、空気力学的目標を満たしています。」

今後の展望<br /> 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、「これら 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おける実行可能で信頼性の高い代替手段であることが十分に実証されることを期待しています。AM を使用してケーシングや渦巻きなどの他のブロワー部品を製造する作業はすでに進行中です。これらの DOE 資金提供プロジェクトを通じて、共通部品ライブラリを開発することができました。」と述べています。

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