電解制氧技術

電解制氧技術是指利用水電解法製取氧氣和氫氣的技術。電解制氧技術構成再生式生命保障系統氧循環迴路的閉合，電解產生的氧氣供給航天員呼吸，氫氣回輸到二氧化碳還原系統。

基本介紹

• 中文名：電解制氧技術
• 外文名：electrolysis oxygen generation technology
• 學科：航空工程
• 領域：工程技術

簡介

電解制氧技術是指利用水電解法製取氧氣和氫氣的技術。電解制氧技術構成再生式生命保障系統氧循環迴路的閉合，電解產生的氧氣供給航天員呼吸，氫氣回輸到二氧化碳還原系統。

空間用水電解制氧技術分類

空間用水電解制氧技術有兩種基本類型: 一類是固體聚合物電解技術；另一類是傳統的鹼性電解質制氧技術，有流動電解質和固定保持電解質技術之分。固體聚合物電解技術系統的電解質是一種全氟磺酸類的離子交換膜，其原度僅為0.3 mm左右，此種材料的水飽和態是一種良好的離子導體，是進行水電解的唯一電解質，沒有鹼性或酸性溶液。

結構模型

系統的基本構型是在膜的兩邊製成電極，電極製作有化學鍍、零極距和熱壓法。水合氡離子通過固體聚合物電解膜從陽極向陰極遷移，維持聚合物中的酸濃度，以便多於電解反應的水需求量的水通過電解電池組循環流動，散掉電解過程中產生的廢熱。氧和氛的產量可根據艙內氧分壓的變化進行調節。

空間站電解氧技術

隨著航天技術的迅速發展，人類實現了在太空遨遊的夢想，並建造了人能長期在太空中生活與工作的空間站，已創造了航天員留空438天的紀錄。隨著人類在太空活動規模的擴大,人類在太空生活需要消耗的也越來越多，尤其是氧氣。如果只靠地面補給，將制約載人航天的發展，因而需要發展再生式生命保障系統，而電解制氧技術就是這一系統的主要內容。

電解制氧技術在空間站的套用情況

俄羅斯研製的流動鹼性電解制氧系統從1986年作為實驗件開始在“和平”號空間站上運行，1989年開始作為裝站設備為航天員供氧。為了防止電解產物引起的爆炸及火災，同時防止腐蝕性電解液泄漏引起的危害,電解制氧裝置的電解池、冷凝器、水/氣分離器以及控制、監測部分置於一個充氮容器中，通過監測容器中的相關參數來控制電解制氧系統的運行。系統總重量為155kg，在正常工作時，電解電流為30A時，電壓不超過26.5V，總功耗為850W·h。系統最大承受電流不超過70A,最大產氧速率為160L/h,最大功率為1500w.h。

我國空間站電解制氧技術研究進展

我國從20世紀90年代中期起開展了空間站電解制氧關鍵技術預先研究，已走過了十幾年的發展歷程。2006年順利完成了為3人乘組連續供氧的62d系統整合驗證試驗D-8。

2006年TG4目標飛行器電解制氧裝置任務啟動後進行縮比狀態的飛行實驗，重點解決並驗證空間微重力環境下系統工作原理流程、供水和水氣分離、兩相流管理等關鍵技術。2012 年電解制氧裝置順利完成了在軌飛行試驗。

隨著我國載人空間站工程的正式啟動，現正在TGH電解制氧裝置研製的基礎上開展空間站電解制氧系統技術攻關和工程研製，重點解決系統規模放大、系統長期連續運行的長壽命、可靠性等相關的技術攻關並實現工程套用。

另外，針對再生式燃料電池能源系統和核潛艇供氧系統的套用背景，我國第一台產氫量6Nm以上、壓力5MPa的中型質子交換膜水電解器和第一台高壓質子交換膜水電解制氧裝置工程樣機(產氧量3 Nm以上，工作壓力為5 MPa)已研製成功。

靜態供水電解系統

靜態供水電解系統由4部分組成，冷卻劑控制組件、3個流體壓力控制器、流體控制組件以及電解室。

冷卻劑控制組件以恆定的可調流量向電解室供應溫度可調節的水。旁路和液/液熱交換器之間的水的流動實現溫度控制，並把電解過程中產生的熱量帶走。這個組件的主要部件有泵、電機、分離閥和收集器。

壓力控制器是控制和維持電解池腔體內液氣界面所需的壓差以及在方式轉換過程中控制系統初始的增壓和成樂。主要部件有電機驅動的壓力調節器、絕對壓力和壓差感測器以及加熱器。

流體控制組件控制和監視水的流量，穩態和方式轉換期間氮氣的流最，並監測儲水箱的壓差。主要部件有凸輪驅動的閥、馬達操作機構、壓力感測器、截止閥和過濾器。

靜態供水電解系統的核心組件是電解室。它由多個電解池並聯組裝而成。

固體聚合物電解質水電解系統

該系統因使用一種固體聚合物作為電解池中的電解質而得名。固體聚合物電解質是一種過氟磺酸聚合物固體塑膠片，它具有聚四氟乙烯的許多特點。當它被水浸飽和時，是一種優良的離子傳導體.它在電解池中作為電解所需的唯一的電解質。電解時系統中沒有游離的酸或鹼液，水是唯一的自由液體。固體電解質的兩邊是陰極和陽極。電解過程中，電解所需的水直接供給到陽極，在陽極電解放出氧氣。氫氧根離子在水化的固體聚合物之間穿過，通過電解質運動到陰極，在陰極與電子結合放出氫和固體聚合物。由於電解所用的水和電極接觸，必須對水進行預處理。電解池由電源調節器供電。

固體聚合物電解質靜態供水電解系統

為了避免水與電極直接接觸，又利用固體聚合物作為電解質的技術，於是產生了靜態供水的固體聚合物電解質電解系統。在這種電解系統的電解池中，電解水並不與電極接觸。電解池內還有一個儲水室，使用透水離子交換膜把儲水室與氫氣室隔開，當電解開始時，以儲水室到氧電極之間就建立了水的梯度，保證了水不斷從儲水室供應到氧電極，同時也消除了相分離。為了阻止和避免氫氣透過隔膜在儲水室中積聚而最終造成儲水室中水的枯竭，在供水隔膜上裝有一個電化學氫氣泵。氫氣泵有陽極和陰極，透過隔水膜的氫氣在氫氣泵的陽極氧化為氫氧根離子，朝陰極運動，在陰極還原成氫氣進入氫氣室。這樣氫氣就不能在儲水室內積聚。然而，氫氣眾的技術較為複雜，還有一些有待解決的問題。