一种用于固体氧化物电池及电解池堆的流量调节与防逆流装置

本发明涉及固体氧化物电池及电解池堆，更具体地涉及一种用于固体氧化物电池及电解池堆的流量调节与防逆流装置。

背景技术：

1、固体氧化物电池（soc）、固体氧化物电解池堆（soec）由多片单电池串联、并联或混联堆叠构成，运行过程中需外部气源持续供给燃料气（氢气、天然气等）与氧化气（空气、氧气等）。进气歧管作为衔接外部供气源与电堆内部各电池单元的核心部件，其结构设计直接决定气体分配均匀性、电堆运行性能与长期工作稳定性。

2、常规进气歧管为金属或陶瓷材质的管状/腔体构件，设置单一进气口与多路出气口；进气口对接外部供气主管路，各出气口分别连通电堆内部布气板，反应气体经歧管腔体分流后送入每一节单电池。现有进气歧管本体仅具备基础导气功能，配套流量控制、防倒流功能均依靠管路外部独立配件实现。

3、现阶段若需精准控制进入电堆的气体流量，行业普遍采用外置二级调节方案：在供气总管或进气歧管总入口处串联球阀、针阀、质量流量控制器等调节阀；若需对各支路单独分配流量，则需在每一分支管路单独增设调节阀，并配套传感器、控制系统形成闭环调节。

4、该外置调节方案虽可实现流量控制，但存在多重缺陷：一是额外增加阀门、接头、控制线，系统零部件多、整体体积大，电堆集成度低；二是大量外接连接件大幅提升气体泄漏风险，故障点位增多；三是多电堆集成场景下，外部管路布线复杂，设备整体制造成本显著上升。

5、基础款进气歧管仅为中空管道结构，腔体内部无任何节流、导流构件。气体自进气口流入主腔体后完全依靠气流惯性、管内自然压力分布完成分流，极易出现各路出气口流量不均的问题，各单电池进气量差异大，影响电堆整体工作一致性。

6、为改善气体分配均匀性，现有改进方案包括采用多孔挡板利用节流效应重构管内压力场；通过管内隔板分隔出多条子通道引导气流均匀分流；基于流量均匀分配的固体氧化物燃料电池堆进气歧管，借助分支缩口增大局部阻力平衡各路流量。但上述均流构件均为固定不可动结构，仅能适配单一固定工况，无法在电堆运行过程中动态调整流阻，不能根据实时工况主动改变各路气体分配比例。

7、现有进气歧管结构，无论基础款还是带固定均流件的改进款，腔体内部均无能够改变流通阻力的可活动元件，无法在歧管内部完成主动流量分配调节，流量干预只能依靠外部二级调节阀、流量控制器。

8、由此衍生多重问题：

9、1）集成度差：外部管路、阀门繁杂，难以满足船舶、航空航天等对设备体积、重量严苛约束的应用场景；

10、2）控制滞后：外置调节回路路径长，配合多类传感器与控制系统后调节响应速度慢，无法快速、精准调整管内气流分配；

11、3）可靠性低、成本高：额外配套零部件拉高整机造价，且在高低温交变、持续振动等恶劣工况下易发生故障。

12、同时，行业长期存在技术使用偏见：球阀仅作为独立外置元件使用，尚无方案将球阀集成于进气歧管内部，配合外部驱动结构实现多路出气口流量分配调节，始终无法摆脱对外置二级调节装置的依赖。

13、soc/soec电堆实际运行中需频繁切换工作状态，包括启停、功率升降、负荷跟随、燃料电池发电模式与电解制氢模式切换等电堆工况切换操作，切换瞬间供气压力、流量、温度会发生剧烈瞬态变化。

14、现有进气歧管内部无动态可调阻力构件，无法实时匹配供气参数变化、平滑气流，管内会产生周期性/非周期性压力脉动、流量振荡，即喘流现象。喘流带来多重不可逆损害：

15、1）各路电池进气量剧烈波动，造成电流密度、温度分布不均，局部热应力集中；

16、2）持续气流冲击加速电堆密封件、电极材料疲劳损伤，大幅缩短整机使用寿命；

17、3）极端喘流会造成供气中断或气体反向流动，直接引发电池性能永久衰退。

18、现有进气歧管的设计基准为陆地恒定重力环境，未配套不依赖重力的防逆流结构。

19、当电堆搭载于船舶平台时，船体横摇、纵摇会形成持续动态倾角；应用于航空航天领域时，还会面临微重力、零重力、变重力工况。常规依靠重力复位密封的单向结构在此类场景下无法可靠闭合，极易发生气体倒流，存在电堆损毁风险，严重限制soc/soec在船舶、航空航天领域的落地使用。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的系统集成度低、泄漏点多；工况切换时无动态可调流阻结构，易产生气流喘流损伤电堆、重力式单向阀适配场景窄的问题，本发明旨在提供一种用于固体氧化物电池及电解池堆的流量调节与防逆流装置。

2、根据本发明的用于固体氧化物电池及电解池堆的流量调节与防逆流装置，其包括电堆本体与进气歧管，所述进气歧管内部形成歧管腔体；所述歧管腔体内部沿气流流向串联装配球阀与弹性瓣膜，所述球阀布置在弹性瓣膜的上游侧；所述球阀能够沿腔体轴向移动和/或绕自身轴线旋转，所述球阀固连拉杆，所述拉杆穿出进气歧管管壁并配置限位结构；所述弹性瓣膜根部固定于歧管腔体内壁，反应气体正向流动时气流穿过弹性瓣膜，反应气体逆向流动时，弹性瓣膜借助密封面实现管路封闭。本发明通过将可动球阀、弹性瓣膜串联集成于进气歧管腔体内部，内置拉杆联动调节、瓣膜配合密封面实现双向气路控制，能够同时实现歧管内部主动流量分配、逆流自动阻断，摆脱对外置二级调节阀的依赖，适配动态倾斜、失重等特殊应用场景。

3、在优选的实施例中，弹性瓣膜仅依靠反应气体两侧压差完成开合动作，开合动作不依赖重力作用。本发明通过压差驱动式弹性瓣膜替代重力复位单向结构，能够在船舶摇摆、航空航天微重力/零重力工况下稳定完成开合密封，消除重力带来的密封失效缺陷，拓宽电堆适用场景。

4、在优选的实施例中，所述弹性瓣膜沿圆周均匀阵列排布形成多瓣花瓣结构，弹性瓣膜的根部整体周向固定于歧管腔体内壁；所述密封面设置于歧管腔体内部，弹性瓣膜收拢时瓣膜顶端贴合密封面实现密封。本发明通过周向阵列多瓣花瓣式瓣膜配合腔体内置密封面，能够实现全流道均匀密封，收拢时各瓣片同步贴合无局部漏缝，提升逆流阻断的密封性与可靠性。

5、在优选的实施例中，所述球阀外壁与歧管腔体内壁之间形成环形流通间隙。本发明通过球阀外壁与腔体壁预留环形流通间隙，能够拓宽流量调节区间，保证不同球阀位置下均存在稳定气流通道，适配电堆宽范围功率供气需求。

6、在优选的实施例中，所述球阀能够随电堆工况切换改变自身位置或旋转角度，并通过所述拉杆主动同步调整歧管腔体内部流通阻力，削弱气流压力脉动。本发明通过可位移/旋转球阀动态实时调整管内流阻，能够在启停、功率升降、模式切换等电堆工况切换操作场景下平滑气流，抑制喘流产生，减少气流冲击对电堆电极、密封件的疲劳损伤，延长电堆使用寿命。

7、在优选的实施例中，流量调节结构与防逆流结构整体收容于歧管腔体内部，省去进气歧管外部独立流量调节阀体。本发明通过流量调节、防逆流组件一体化内置集成设计，能够简化外部供气管路布局，减少阀门、接头、管线数量，降低系统泄漏风险与故障点位，提升电堆整机集成度，适配船舶、航空航天狭小空间安装需求。

8、在优选的实施例中，所述球阀与弹性瓣膜的上下游排布顺序固定，弹性瓣膜的密封面布置在球阀下游侧以避免遮挡球阀节流区域。本发明通过球阀上游、瓣膜下游的固定串联排布方式，能够实现流量调节、防逆流两套功能独立互不干扰，避免瓣膜遮挡节流区域造成额外管路压损、流量调节精度下降的问题。

9、在优选的实施例中，所述限位结构包含限位器轨道与限位锁定螺栓，限位锁定螺栓将拉杆固定于限位器轨道预设位置以锁定球阀流通开度。本发明通过轨道配合锁定螺栓的限位结构锁止拉杆位置，能够稳定维持球阀设定流通开度，实现分档或无级稳态流量调节，避免运行过程中球阀位移导致供气流量波动。

10、在优选的实施例中，所述进气歧管设置单一进气口与多路出气口，进气口对接外部供气气源，多路出气口分别连通电堆本体内部布气板。本发明通过单进气口多路出气口的歧管布局，能够将调节后的反应气体均匀分配至电堆各单电池单元，保证各电池进气量均衡，提升电堆整体工作一致性。

11、在优选的实施例中，所述球阀设置于歧管腔体总流道内，或在进气歧管各分支流道内分别独立设置球阀。本发明通过总流道单球阀或分支独立多球阀两种可选布置形式，能够适配不同电堆功率、分路精细调节需求，拓展装置适配范围，提升流量分配控制灵活度。

12、本发明将可位移旋转球阀与压差驱动弹性瓣膜串联集成于进气歧管腔体内部，依托外置拉杆配套限位结构实现歧管内部流量自主调控，同时依靠瓣膜与腔体内密封面配合阻断逆向反应气体，一方面无需额外外置流量调节阀即可完成各路气体分配，简化外围管路布局、减少管路接头带来的泄漏隐患与故障点位，有效解决现有方案集成度低、适配空间受限场景困难的问题；另一方面可在电堆启停、功率切换等各类电堆工况切换操作过程中动态调整内部流通阻力，缓冲供气参数瞬时波动、削弱气流压力脉动，从根源避免喘流引发的电池温度不均、电极及密封件疲劳损伤，延长电堆整体使用寿命；再者弹性瓣膜仅依靠反应气体压差完成开合动作，运行完全不依赖重力，能够在船舶摇摆、航空微重力等非常规姿态工况下稳定实现防逆流密封，解决传统重力式单向结构易失效、电堆应用场景受限的缺陷，整套结构协同实现了高集成流量调控、动态抑喘、全域可靠防逆流多重有益效果。