燃料電池部品の 3D プリントによりコストが (大幅に) 削減されます

燃料電池部品の 3D プリントにより、コストが (大幅に) 削減されます。

Mohawk Innovative Technology は Velo3D を利用して、アノード オフガス リサイクル ブロワーの価格を 60% 削減します。

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います。 しかし、今では思われますが、エネルギーを生成するときに必ずしもそれらを燃やす必要はないかもしれません。

研究段階から商業化段階に至る有望なアプローチは、固体酸化物燃料電池 (SOFC) 技術です。 その可能性は、Mohawk Innovative Technology と Velo3D とのパートナーシップを通じて明らかになります。

米国エネルギー省 (DOE) は、エネルギー生産を脱炭素化するための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 (ウェブサイトによると、1995 年以来 7 億 5,000 万ドル)。

DOE は、SOFC を、実際の燃焼ステップを省略しながら、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装置であると説明しています。 基本的に、SOFC は、再充電するガスを燃焼させることなく、常に再充電される無期限のバッテリーのように機能します。

小さなパッケージ、大きなエネルギー出力

ホセ・ルイス・コルドバMohawk Innovative Technology Inc. (MITI) のエンジニアリング担当副社長である Ph.D 氏は次のように述べています。

固体酸化物型燃料電池は、非常に小さなパッケージで大量のエネルギーを生成するため、非常に魅力的です。

DOE の資金提供を受けたいくつかのプログラムに取り組んでいる Mohawk は、ニューヨーク州アルバニーに本拠を置き、高効率、費用対効果が高く、環境への影響が少ない、オイルフリーのターボ機械の設計である「クリーンテック」を専門とする創業 28 年の企業です。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、電気モーターなどの製品。

「SOFCはコンパクトで、工場で組み立てて、分散型エネルギー生産をサポートするために必要な特定の場所に輸送することができます」とホセ・ルイス・コルドバ氏は述べた。

「これを、設置に数十億ドルと何年もかかる通常の集中型の数メガワット発電所と比較してください。SOFC も非常に効率的です。通常のバッテリーとは異なり、試薬を供給している限り、時間の経過とともに電力が失われることはありません」電気化学反応はほぼ無限に継続することができます。」

2019年には4万台以上の100キロワット燃料電池（それぞれ50世帯に電力を供給可能）が世界中で出荷されたが、SOFCコンポーネントの多くは製造コストが高く、これらのコンポーネントは摩耗するため、この技術の広範な採用は限られている。作業を非常に効率的にするガスにさらされるため、すぐに消滅します。

コストと耐久性の問題に直面

このような課題を克服するために、Mohawk は、寿命を延ばし、効率を高めるために重要な部品の一部を設計しました。 一例は、「バランス・オブ・プラント」(SOFC の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あるアノードオフガスリサイクルブロワー (AORB) 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通過します。

「残ったガスや水を捨てるのではなく、プロセスの最初に戻したいのです」とホセ・ルイス・コルドバ氏は言う。 「そこで、AORB が登場します。本質的には、排気を再利用して燃料電池の前部に戻す低圧コンプレッサーまたはファンです。」

「SOFC バランス・オブ・プラントの設計者は、この送風機が既製のユニットになると考えていました」とホセ・ルイス・コルドバ氏は述べています (通常の 250 kW SOFC プラントでは 2 台の送風機が使用されます])。

「しかし、システム内のプロセスガスのせいで、従来のブロワーは腐食して劣化する傾向があります。混合物中の水素はブロワーの材料である合金を攻撃し、ブロワーに動力を供給するモーターの磁石や電気部品も損傷します。ほとんどのブロワーは、オイルなどの潤滑剤も含まれており、同様に劣化します。」

「そのため、プラントのバランスコストのかなりの部分を占める非常に信頼性の低い送風機を使用することになり、SOFC プラントは 2 ～ 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、典型的な SOFC の動作寿命 40,000 時間と設置コストの平均 12,000 ドル/kWe (電力エネルギー 1 キロワット) から 900 ドル/kWe への削減という DOE の目標には遠く及ばない。

「そこで私たちは、Mohawk 独自のオイルフリーのコンプライアントフォイルベアリング (CFB) 技術、特殊なコーティング、そして数十年に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に気づきました。」とホセ ルイス コルドバ氏は述べています。

AM が答えを提供します

DOE の資金提供により、Mohawk 社は FuelCell Energy が運営する実証用 SOFC 発電所で AORB プロトタイプを設計およびテストする手段が提供されました。 現実的な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が測定されました。

最新バージョンでは、部品や出力に重大な劣化は見られず、パフォーマンスや信頼性の問題が完全に排除されていることが実証されました。

しかし、AORB のコストは依然として法外に高かった。これは主に、極度の機械的ストレスや熱的ストレス下で継続的に動作する高速遠心インペラが原因であった。

寿命を長くするには、この部品を機械加工や鋳造が難しい、インコネル 718 やヘインズ 282 などの高価で高強度のニッケルベースの耐食性超合金材料で作る必要があります。 インペラで最適な空気力学的効率を達成するには、複雑な三次元形状が必要であり、製造が困難です。

これに加えて、現在の SOFC 市場は初期の性質のため、インペラは比較的少量のバッチで生産されており、規模の経済を実現することが困難です。

ご想像のとおり、積層造形は、生産コストを下げるための説得力のある答えを提供しました。 FuelCell Energy との元のプロジェクトが進行する一方で、Mohawk には、独自の燃料電池コンポーネントの設計に関する支援を求めている研究開発グループからも電話がかかってきました。

「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にあったため、それぞれが異なる動作条件を念頭に置いていました」とホセ・ルイス・コルドバ氏は語った。 「従来の製造方法を使用して、必要なカスタム インペラー ホイールやボリュートを少数だけ作成するには、非常に高価だったでしょう。そこで、私たちは AM に注目し始めました。私たちは AM システム メーカーについて独自に調査し、LPBF プロバイダーである Velo3D と連携しました。 。」

機能に関するコラボレーション

ホセ・ルイス・コルドバ氏は「SOFCのコスト削減と性能向上を目標に、DOEはAMなどの革新的な製造方法に熱心に取り組んでいる」と述べた。

「（中小企業産業研究プロジェクトを通じた）彼らの資金提供は、FuelCell Energy との以前のパートナーシップだけでなく、Velo3D との現在のパートナーシップもサポートしています。さらなる利点は、この取り組みが 3D プリンティング技術全般の進歩に役立っていることです。その能力と可能性。」

マット・カレシュ、Velo3Dのモホークプロジェクトリーダーは次のように述べています。

当社と協力してフィードバックを提供してくれる Mohawk のような企業と協力することで、当社の内部プロセス パラメーターと機能の進歩が促進され、当社の印刷手法をより良くする方法を指示することができます。

AMのコスト効率

「当社の従来のサブトラクティブ製法のインペラホイールは、1 個あたり最大 15,000 ドルから 19,000 ドルもしました」とホセ ルイス コルドバ氏は言います。 「一度に 1 つずつではなく、8 ユニット程度の小バッチで 3D プリントしたところ、これは 500 ドルから 600 ドルに下がり、非常に大幅なコスト削減になりました。」

「製造コストを削減するだけでなく、LPBF は、私たちが求めていた設計の柔軟性を提供できる唯一のテクノロジーです。AM は、インペラのブレードの数、角度、間隔には無関心であり、これらはすべてインペラのブレードに直接影響します。」空力効率。」

ホセ・ルイス・コルドバ氏は、「当社は、より高性能な回転ターボ機械の設計を実現し、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獲得しました」と述べた。

完璧な合金の選択

Velo3D Sapphire システム (Velo3D のグローバル ネットワークの委託製造業者である Duncan Machine で) でインペラを 3D プリントするには、インコネル 718 を使用することが選択されました。インコネル 718 は、強い温度耐性を備えたニッケルベース合金の 1 つであり、次のような応力に耐えることができます。回転最高。

ハンナ・リーモホーク社の機械エンジニアはこう語った。

インコネルは、化学的に十分に不活性であり、アルミニウムやチタンを確実に上回るかなりの高温でも機械的特性を維持するため、私たちにとって非常に魅力的でした。

Velo3D はすでに自社の機械用にインコネル 718 を認定していましたが、モホークは超合金の 3D プリント バージョンに関する一連の知識を追加するために追加の材料研究を行いました。

「私たちのテストでは、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耐性などの機械的特性が鋳造材料よりも高いことが実証されました」と Hannah Lea 氏は述べています。 「これは、動作温度範囲内で高応力の遠心送風機やコンプレッサーの用途には十分以上でした。」

反復が簡単に

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、修正、印刷戦略を練りました。

「これは非常に興味深いものでした。なぜなら、私たちが使用していたオリジナルのインペラに大きな設計変更を加える必要がなかったのです。Velo3D の Sapphire システムを使用すると、必要なものをそのまま印刷できました」とホセ ルイス コルドバ氏は述べています。 「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調整と調整を行いました。」

インペラ プロジェクトが進むにつれて、AM では部品の印刷、評価、反復、再印刷が迅速に行えるため、鋳造やフライス加工よりもはるかに短い納期が実現しました。 その後の 3D プリンティングの実行では、結果を比較するために、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できます。

インペラのサイズが比較的小さい (直径 60 mm) ため、チームは「犠牲シュラウド」、つまり製造中にブレードを正しい状態に保持する一時的な印刷された筐体の開発が必要でした。

犠牲シュラウドとより滑らかな表面

マット・カレシュ、Velo3Dさんはこう言っています。

このアプローチで本当に興味深いのは、シュラウド付きインペラは、現在のほとんどの付加技術では、従来の支持構造が必要なため、基本的には触れられないということです。

「私たちは、サポートなしではなく、サポートを減らしたアプローチを使用しました。モホークは、『最終的にはシュラウドは必要ありませんが、シュラウドのおかげで私たちの部分がより良くなるので、通常は非常に高価なものを取り付けます』と言っていた。印刷するのは難しいので、後で切り取るだけです。」

「Velo3d のテクノロジーを使用することで、使い捨てシュラウドをインペラに構築し、希望通りの翼形と流路の形状を得ることができました。その後、シュラウドを取り外すのは非常に簡単な機械加工作業でした。」

モヒカン族のエンジニアロシェル・ウッディング氏、表面仕上げももう 1 つの焦点でした。

初期の段階では表面が少し荒れていました。

「犠牲シュラウドで興味深かったのは、押し出しホーニングを使用して粗さを修正するために使用できるブレードを通る流路が得られたことです。必要な条件を達成するためにブレードにどれだけの材料を追加するかを決定するには、さらに反復が必要でした」 「私たちが望んでいたブレードの厚さ。私たちが達成した最終的な表面仕上げは鋳造部品に匹敵し、空気力学的にも私たちの目的に適しています。」

今後のテスト、将来の見通し

次のステップは、AORB を新しいインペラで改造し、現場条件でテストすることです。 「これら 2 つのタスクの実行が成功すれば、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コンポーネントの製造において実行可能で信頼性の高い代替品であることが十分に実証されることを期待しています」とホセ・ルイス・コルドバ氏は述べています。 ハウジングやボリュートなどの他のブロワー部品に AM を使用する作業がすでに進行中です。

「DOE の資金提供を受けたこれらのプロジェクトを通じて、私たちは共通部品のライブラリを開発することができました。当初のアイデアに基づいて、クリーン エネルギーの進歩をサポートするための異なる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ができました。未来」とホセ・ルイス・コルドバは締めくくった。

燃料電池部品の 3D プリントによりコストが (大幅に) 削減される、2022 年 10 月 21 日