固體氧化物燃料電池 (SOFC) 技術(shù)是一種有前途的綠色能源，現(xiàn)在從研究階段進(jìn)入商業(yè)化。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，美國(guó)能源部 (DOE) 多年來(lái)一直對(duì) SOFC 進(jìn)行投資（自 1995 年以來(lái)已投資 7.5 億美元），作為正在進(jìn)行的能源生產(chǎn)過(guò)程中脫碳努力的一部分。美國(guó)能源部將 SOFC 描述為一種電化學(xué)裝置，它直接通過(guò)碳?xì)淙剂希ㄍǔＪ翘烊粴猓┑难趸瘉?lái)發(fā)電，同時(shí)消除了實(shí)際的燃燒步驟。

       一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)電單元以及能量回收單元。其中，陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)是“設(shè)備平衡”的重要組成部分——通過(guò)AORB來(lái)支持 SOFC 燃料堆的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而3D打印可以在陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的靈活性與制造的經(jīng)濟(jì)性的平衡結(jié)合。

3D打印鼓風(fēng)機(jī)葉輪
© MOHAWK

 21世紀(jì)的綠色能源

      固體氧化物燃料電池很有吸引力，因?yàn)樗鼈冊(cè)诜浅Ｐ〉姆庋b中產(chǎn)生大量能量，基本上，SOFC 就像一個(gè)無(wú)限壽命的電池，不斷地被充電——而不會(huì)燃燒給它充電的氣體。

根據(jù)百度百科，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，是幾種燃料電池中，理論能量密度最高的一種。被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。

      固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀Ｔ诖笮图�中供電、中型分電和小型家用熱電�?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車輛動(dòng)力電源等移動(dòng)電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。SOFC可用于發(fā)電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領(lǐng)域，被稱為21世紀(jì)的綠色能源。

        SOFC 結(jié)構(gòu)緊湊，可以在工廠制造，然后運(yùn)輸?shù)叫枰�支持分布式能源生產(chǎn)的特定地點(diǎn)，相比于通常需要數(shù)十億美元和多年才能建立的集中式多兆瓦發(fā)電廠，SOFC 非常有效。與普通電池不同，它們不會(huì)隨著時(shí)間的推移而斷電，因?yàn)橹灰�提供試劑，就可以無(wú)限期地繼續(xù)電化學(xué)反應(yīng)。

2019 年全球出貨了超過(guò) 40,000 臺(tái) 100 千瓦SOFC燃料電池（每臺(tái)能夠?yàn)?50 戶家庭供電）。但制造技術(shù)的挑戰(zhàn)阻礙了SOFC被更廣泛采用：許多 SOFC 組件的成本很高制造，并且由于暴露在腐蝕性氣體中，這些組件很快就會(huì)磨損得令人沮喪。

 解決成本和耐用性問(wèn)題

Mohawk 總部位于紐約，專門從事“清潔技術(shù)”的渦輪機(jī)械組件制造，其產(chǎn)品組合包括可再生能源渦輪發(fā)電機(jī)、無(wú)油渦輪壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。

為了幫助克服這些挑戰(zhàn)，Mohawk 設(shè)計(jì)了SOFC燃料電池的一些關(guān)鍵部件，以延長(zhǎng)使用壽命和提高效率。一個(gè)例子是陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)。

在運(yùn)行期間，每個(gè)燃料電池僅使用其所供給的氣體的約 70%；大約 30% 與水（電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物）一起直接通過(guò)系統(tǒng)。如果不想扔掉剩余的氣體或水，就需要想把它們送回過(guò)程的開(kāi)始，這就是陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)的用武之地：AORB本質(zhì)上是一個(gè)低壓壓縮機(jī)或風(fēng)扇，回收廢氣并將其返回燃料電池發(fā)電單元的前部。

由于SOFC燃料電池系統(tǒng)中的工藝氣體，傳統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)容易腐蝕和降解；混合物中的氫會(huì)侵蝕制造鼓風(fēng)機(jī)的合金，還會(huì)損壞為鼓風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力的電機(jī)的磁鐵和電氣元件。因此， SOFC燃料電池通常需要每?jī)汕�小時(shí)到四千小時(shí)進(jìn)行一次大修。

這一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)能源部 DOE 的目標(biāo)，即典型 SOFC 的運(yùn)行壽命為 40,000 小時(shí)，并且安裝成本從平均 12,000 美元/千瓦（電能）降低到 900 美元/千瓦。

 增材制造發(fā)揮價(jià)值

      通過(guò)傳統(tǒng)制造的陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)的成本高得令人望而卻步——這在很大程度上是由于其高速離心葉輪，該葉輪在極端的機(jī)械和熱應(yīng)力下持續(xù)運(yùn)行。為了獲得最長(zhǎng)的使用壽命，該零件必須由昂貴的高強(qiáng)度鎳基耐腐蝕超級(jí)合金材料制成，例如難以加工或鑄造的 Inconel 718 或 Haynes 282。

      此外，在葉輪中實(shí)現(xiàn)最佳空氣動(dòng)力學(xué)效率需要復(fù)雜的 3D 幾何形狀，這對(duì)傳統(tǒng)制造來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。并且由于目前SOFC市場(chǎng)還處于的初期發(fā)展的性質(zhì)，葉輪生產(chǎn)的批量相對(duì)較小，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模制造經(jīng)濟(jì)。

      如何降低成本？3D打印-增材制造提供了令人信服的答案。使用傳統(tǒng)制造技術(shù)，只制造他們想要的少數(shù)定制葉輪或蝸殼，成本會(huì)非常高。美國(guó)能源部DOE 的目標(biāo)是降低成本并提高 SOFC 的性能，因此對(duì)3D打印-增材制造等創(chuàng)新制造方法充滿熱情。

通過(guò)美國(guó)能源部DOE的資金支持 （小型企業(yè)工業(yè)研究項(xiàng)目資金） ，Mohawk與 Velo3D 合作改用增材制造技術(shù)來(lái)加工陽(yáng)極廢氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) (AORB)，結(jié)果令人大開(kāi)眼界：通過(guò)傳統(tǒng)的減材制造葉輪每個(gè)售價(jià)高達(dá) 15,000 至 19,000 美元，而當(dāng)3D 打印它們時(shí)，成本下降到 500 到 600 美元——成本降低非常顯著。

© 3D科學(xué)谷白皮書

      更重要的，LPBF激光熔融金屬3D打印可以提供所需設(shè)計(jì)靈活性的技術(shù)。AM增材制造實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度與葉輪葉片的數(shù)量、角度或間距無(wú)關(guān)——所有這些都對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)效率有直接影響。通過(guò)3D打印可以實(shí)現(xiàn)更高性能旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)，達(dá)到所需的幾何精度，并且降低相關(guān)制造成本。

      測(cè)試表明，通過(guò)LPBF激光熔融金屬3D 打印的 Inconel 718 具有高于鑄造材料的機(jī)械性能，例如屈服強(qiáng)度和蠕變耐受性，這對(duì)于高應(yīng)力離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)綽綽有余。

       此外，使用 Velo3D 的技術(shù)，團(tuán)隊(duì)能夠在葉輪上構(gòu)建一次性護(hù)罩，獲得他們想要的翼型和流路形狀，然后通過(guò)非常簡(jiǎn)單的機(jī)加工操作來(lái)移除加工余量。表面處理是另一個(gè)重點(diǎn)，犧牲護(hù)罩的有趣之處在于，提供了一條穿過(guò)葉片的流動(dòng)路徑，研究開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)可以使用該路徑通過(guò)擠壓珩磨來(lái)校正粗糙度，最終表面光潔度與傳統(tǒng)制造方式獲得的相當(dāng)，并且符合空氣動(dòng)力學(xué)目的。更重要的是，所有使葉輪正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸都在公差范圍內(nèi)。

(責(zé)任編輯：admin)

• Xenia進(jìn)軍大幅面增材制造
• 研究人員基于3D打印冰模板
• 美國(guó)Brooks與惠普合作開(kāi)發(fā)
• 《AHM》：3D打印為患者定
• MB Therapeutics與Lynxter
• 美國(guó)國(guó)防部正在使用3D打印

• ·Xenia進(jìn)軍大幅面增材制造市場(chǎng)，憑借獨(dú)
• ·研究人員基于3D打印冰模板開(kāi)發(fā)出混凝土
• ·美國(guó)Brooks與惠普合作開(kāi)發(fā)高性能競(jìng)技3D
• ·《AHM》：3D打印為患者定制“一對(duì)一”
• ·MB Therapeutics與Lynxter合作，推出針
• ·美國(guó)國(guó)防部正在使用3D打印制造高超音速
• ·HYP3D項(xiàng)目采用陶瓷3D打印生產(chǎn)高壓氫氣
• ·澳大利亞政府教育部推動(dòng)iLAuNCH項(xiàng)目，