一种SOEC多堆模组耦合热管理拓扑结构及其控制方法与流程

本申请涉及制氢，尤其涉及一种soec多堆模组耦合热管理拓扑结构及其控制方法。

背景技术：

1、固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell，soec）制氢系统功率规模化放大是实现工业化应用的关键环节，多堆模组系统中热管理技术直接决定系统运行稳定性、寿命与能效水平，核心目标是保证电堆单体间及内部温度场均匀性，将热应力控制在材料承受范围内，同时回收高温排气热量以提升系统能效。现有多堆系统热管理方案多停留在单一部件或单一回路优化层面，未从系统级拓扑结构耦合角度对流场、热场分布及协同运行进行一体化设计。现有方案多采用传统z型、u型或并联型歧管排布，易出现流体分配不均问题，靠近进口侧电堆进气量明显高于远端电堆，进而导致各电堆间温度场分布不均，形成局部高温区或热应力集中区，限制多堆模组功率密度上限，严重时可造成电堆结构不可逆损坏。同时，现有方案流道、气体分配管路与热管理介质管路多独立设计，导致内部管路布局复杂，管路流阻与散热损失较大，系统集成度偏低，既增加运维难度，也增大了系统体积与重量，且热量回收利用效率不高，难以高效回收高温排气热量用于预热进气等环节，系统整体能效提升有限。

技术实现思路

1、本申请提供了一种soec多堆模组耦合热管理拓扑结构及其控制方法。可以解决现有技术中因歧管排布形式单一、流场与热管理回路独立设计导致的气体分配不均、电堆间温度场偏差大、管路布局复杂及热量回收效率不高的问题。

2、根据本申请的第一方面，提供了一种soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其中，包括：

3、多个电堆单体，所有所述电堆单体分为若干个模组段，采用并联进气、串联换热的管路连接逻辑进行布局；

4、一体化歧管结构，所述一体化歧管结构包括反应气体歧管与热管理介质歧管，分别布置在多堆模组的两侧，与各所述电堆单体的对应流道接口连通；

5、所述反应气体歧管采用等截面设计，用于将反应气体均匀分配至各所述电堆单体；所述热管理介质歧管采用串联式设计，用于使热管理介质依次流过所有所述电堆单体的换热腔室；

6、所述一体化歧管结构内部设置有热管理介质流道与反应气体流道，所述热管理介质流道与所述反应气体流道之间通过换热板片隔开，形成独立的换热腔室；

7、每个所述电堆单体的进气侧设置有独立的流量分配调节结构，用于调节各所述电堆单体的进气量；

8、所述热管理介质流道的出口与所述反应气体流道的入口连通，用于使预热后的热管理介质作为反应气体的一部分进入所述电堆单体；

9、所述多堆模组的排气侧设置有高温气-气换热器，用于回收高温排气中的热量。

10、根据本申请的第二方面，提供了一种soecc多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，包括：

11、s1，反应气体通过反应气体歧管分配到每个电堆单体中，流量分配调节结构根据各电堆单体的实时进气压力数据动态调整开度，使各电堆单体的进气量均匀一致；

12、s2，热管理介质通过热管理介质歧管依次串联流过所有电堆单体的热管理介质流道，通过换热板片吸收反应气体流道内高温气体的热量，实现多堆模组内部的热量再平衡；

13、s3，经过串联式换热后的热管理介质被预热后，通过热管理介质流道的出口进入反应气体流道的入口，与反应气体混合后一起进入电堆单体参与电化学反应；多堆模组排出的高温尾气进入高温气-气换热器，将热量传递给初始反应气体；

14、s4，布置在多堆模组内的温度传感器网络实时采集各电堆单体的温度分布数据，压力传感器和流量传感器实时采集各电堆单体的进气压力和进气流量数据，将所述温度分布数据、所述进气压力和所述进气流量数据实时传递至中央控制器，所述中央控制器根据预设的协同控制逻辑，动态调整反应气体供给流量、热管理介质供给流量、电堆工作电压和进气温度。

15、通过本申请，由于采用并联进气、串联换热的管路连接逻辑布置多个电堆单体，配置由等截面反应气体歧管与串联式热管理介质歧管组成的一体化歧管结构，辅以换热板片分隔的独立流道、各电堆独立的流量分配调节结构、热管理介质流道与反应气体流道的连通设计及排气侧高温气-气换热器，因此，可以解决现有技术中因歧管排布形式单一、流场与热管理回路独立设计导致的气体分配不均、电堆间温度场偏差大、管路布局复杂及热量回收效率不高的问题，达到提升多堆模组流场与热场均匀性、简化系统管路结构并提升系统整体能效的技术效果。

16、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

1.一种soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其特征在于，所述换热板片为高导热性换热板片，所述热管理介质流道与所述反应气体流道之间通过所述高导热性换热板片实现热量传递且不发生气体掺混。

3.根据权利要求1所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其特征在于，所述热管理介质流道内的热管理介质流动路径与所述反应气体流道内的反应气体流动路径为逆流式换热模式。

4.根据权利要求1所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其特征在于，所述反应气体歧管采用等截面设计，使各所述电堆单体的进气压力损失一致。

5.根据权利要求1所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，其特征在于，所述流量分配调节结构根据各所述电堆单体的实时进气压力数据动态调整开度。

6.一种soec多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-5中任一项所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述s2中，热管理介质通过热管理介质歧管依次串联流过所有电堆单体的热管理介质流道时，前端电堆单体释放的热量通过热管理介质传递至后端电堆单体。

8.根据权利要求6所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述s4中，所述协同控制逻辑以温度场均匀性优先、流场均匀性为辅，将热管理介质流量、反应气体流量、电堆工作电压和进气温度作为协同控制变量。

9.根据权利要求6所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述s4中，当某一电堆单体的局部温度过高时，所述中央控制器同步加大该电堆单体的热管理介质流量、增加反应气体供给量并降低电堆工作电压。

10.根据权利要求6所述的soec多堆模组耦合热管理拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述s4中，在负荷波动或启停工况下，所述中央控制器同步调整热管理介质流量与反应气体流量，平衡因电化学反应速率变化带来的热量分布差异。