[科普中國]-電解制氧技術(shù)

電解制氧技術(shù)是指利用水電解法制取氧氣和氫氣的技術(shù)。電解制氧技術(shù)構(gòu)成再生式生命保障系統(tǒng)氧循環(huán)回路的閉合，電解產(chǎn)生的氧氣供給航天員呼吸，氫氣回輸?shù)蕉趸歼€原系統(tǒng)。

簡介電解制氧技術(shù)是指利用水電解法制取氧氣和氫氣的技術(shù)。電解制氧技術(shù)構(gòu)成再生式生命保障系統(tǒng)氧循環(huán)回路的閉合，電解產(chǎn)生的氧氣供給航天員呼吸，氫氣回輸?shù)蕉趸歼€原系統(tǒng)1。

空間用水電解制氧技術(shù)分類空間用水電解制氧技術(shù)有兩種基本類型: 一類是固體聚合物電解技術(shù)；另一類是傳統(tǒng)的堿性電解質(zhì)制氧技術(shù)，有流動電解質(zhì)和固定保持電解質(zhì)技術(shù)之分。固體聚合物電解技術(shù)系統(tǒng)的電解質(zhì)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(tài)是一種良好的離子導(dǎo)體，是進行水電解的唯一電解質(zhì)，沒有堿性或酸性溶液。

結(jié)構(gòu)模型系統(tǒng)的基本構(gòu)型是在膜的兩邊制成電極，電極制作有化學(xué)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，以便多于電解反應(yīng)的水需求量的水通過電解電池組循環(huán)流動，散掉電解過程中產(chǎn)生的廢熱。氧和氛的產(chǎn)量可根據(jù)艙內(nèi)氧分壓的變化進行調(diào)節(jié)。

空間站電解氧技術(shù)隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，人類實現(xiàn)了在太空遨游的夢想，并建造了人能長期在太空中生活與工作的空間站，已創(chuàng)造了航天員留空438天的紀錄。隨著人類在太空活動規(guī)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(fā)展，因而需要發(fā)展再生式生命保障系統(tǒng)，而電解制氧技術(shù)就是這一系統(tǒng)的主要內(nèi)容1。

電解制氧技術(shù)在空間站的應(yīng)用情況俄羅斯研制的流動堿性電解制氧系統(tǒng)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(shè)備為航天員供氧。為了防止電解產(chǎn)物引起的爆炸及火災(zāi)，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(jiān)測部分置于一個充氮容器中，通過監(jiān)測容器中的相關(guān)參數(shù)來控制電解制氧系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)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(tǒng)最大承受電流不超過70A,最大產(chǎn)氧速率為160L/h,最大功率為1500w.h。

我國空間站電解制氧技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究，已走過了十幾年的發(fā)展歷程。2006年順利完成了為3人乘組連續(xù)供氧的62d系統(tǒng)整合驗證試驗D-8。

2006年TG4目標(biāo)飛行器電解制氧裝置任務(wù)啟動后進行縮比狀態(tài)的飛行實驗，重點解決并驗證空間微重力環(huán)境下系統(tǒng)工作原理流程、供水和水氣分離、兩相流管理等關(guān)鍵技術(shù)。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(xiàn)正在TGH電解制氧裝置研制的基礎(chǔ)上開展空間站電解制氧系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)和工程研制，重點解決系統(tǒng)規(guī)模放大、系統(tǒng)長期連續(xù)運行的長壽命、可靠性等相關(guān)的技術(shù)攻關(guān)并實現(xiàn)工程應(yīng)用。

另外，針對再生式燃料電池能源系統(tǒng)和核潛艇供氧系統(tǒng)的應(yīng)用背景，我國第一臺產(chǎn)氫量6Nm3以上、壓力5MPa的中型質(zhì)子交換膜水電解器和第一臺高壓質(zhì)子交換膜水電解制氧裝置工程樣機(產(chǎn)氧量3 Nm3以上，工作壓力為5 MPa)已研制成功。

靜態(tài)供水電解系統(tǒng)靜態(tài)供水電解系統(tǒng)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。

冷卻劑控制組件以恒定的可調(diào)流量向電解室供應(yīng)溫度可調(diào)節(jié)的水。旁路和液/液熱交換器之間的水的流動實現(xiàn)溫度控制，并把電解過程中產(chǎn)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(nèi)液氣界面所需的壓差以及在方式轉(zhuǎn)換過程中控制系統(tǒng)初始的增壓和成樂。主要部件有電機驅(qū)動的壓力調(diào)節(jié)器、絕對壓力和壓差傳感器以及加熱器。

流體控制組件控制和監(jiān)視水的流量，穩(wěn)態(tài)和方式轉(zhuǎn)換期間氮氣的流最，并監(jiān)測儲水箱的壓差。主要部件有凸輪驅(qū)動的閥、馬達操作機構(gòu)、壓力傳感器、截止閥和過濾器。

靜態(tài)供水電解系統(tǒng)的核心組件是電解室。它由多個電解池并聯(lián)組裝而成2。

固體聚合物電解質(zhì)水電解系統(tǒng)該系統(tǒng)因使用一種固體聚合物作為電解池中的電解質(zhì)而得名。固體聚合物電解質(zhì)是一種過氟磺酸聚合物固體塑料片，它具有聚四氟乙烯的許多特點。當(dāng)它被水浸飽和時，是一種優(yōu)良的離子傳導(dǎo)體.它在電解池中作為電解所需的唯一的電解質(zhì)。電解時系統(tǒng)中沒有游離的酸或堿液，水是唯一的自由液體。固體電解質(zhì)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(zhì)運動到陰極，在陰極與電子結(jié)合放出氫和固體聚合物。由于電解所用的水和電極接觸，必須對水進行預(yù)處理。電解池由電源調(diào)節(jié)器供電。

固體聚合物電解質(zhì)靜態(tài)供水電解系統(tǒng)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(zhì)的技術(shù)，于是產(chǎn)生了靜態(tài)供水的固體聚合物電解質(zhì)電解系統(tǒng)。在這種電解系統(tǒng)的電解池中，電解水并不與電極接觸。電解池內(nèi)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(dāng)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(yīng)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(xué)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(nèi)積聚。然而，氫氣眾的技術(shù)較為復(fù)雜，還有一些有待解決的問題3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)