專利名稱：空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空間飛行器的燃料制備方法。
技術背景21世紀是軍事航天的世紀。在未來戰(zhàn)爭中，近體空間將成為新的制高點， 對現(xiàn)代戰(zhàn)爭有革命性的影響。人類將在近體空間展開一場前所未有的，以開發(fā) 利用空間豐富資源和爭奪控制權為主要內容的大競爭，航天武器裝備將會得到 更加迅速的發(fā)展。推進系統(tǒng)是機動飛行器正常工作和運行的重要保障，因此也 是各國研究開發(fā)的重點。推進系統(tǒng)按照推力產生的方式可以分為常規(guī)的化學推 進系統(tǒng)和非常規(guī)的電、核、激光等推進系統(tǒng)。在機動空間平臺中，常規(guī)化學推 進系統(tǒng)具有效率低、危險性大、污染嚴重等問題，不能滿足現(xiàn)代飛行器的要求， 因此開發(fā)和研制新型非常規(guī)推進系統(tǒng)具有重要的實際意義和巨大的應用前景。 氫能和氧能是二十一世紀航天航空領域重要的動力來源。利用氫能和氧能的水 基推進技術是最具發(fā)展前途的新型非常規(guī)推進技術之一，它具有效率高、安全 性好及使用方便等特點，對機動空間平臺推進技術的發(fā)展具有重要的意義。但 目前在空間飛行器上制備氫能和氧能的技術還不成熟。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，用制備出的氫、氧作為推進系統(tǒng)的推進劑，以克服常規(guī)化學推進系統(tǒng)效率低、危險性大、污染嚴重等問題。它由下述步驟組成 一、由太陽能獨立供 電系統(tǒng)1中的太陽能電池帆板將太陽能轉變?yōu)殡娔埽┙o電解水系統(tǒng)2和氫氣 與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)3; 二、電解水系統(tǒng)2利用太陽能獨立供電系統(tǒng)1輸出 的電能把水分解為氫氣和氧氣；三、氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)3對氫氣和 氧氣進行干燥和升壓以備使用。在自然界中，氫和氧是以結合水的形式存在的，因此如果通過電分解的方 法把它們分別從水中分離出來，再分別進行處理，成為航天器所需的動力源， 則有效解決了航天領域飛行器能量來源的問題，對宇航科技的發(fā)展具有十分重要的意義。太陽能是一種清潔的能源，如果利用太陽能來制氫和氧，那就等于 把無窮無盡的、分散的太陽能轉變成了高度集中的能源，其意義十分重大。最 近，已有報道證實，在月球和其他星球上可以提煉出液態(tài)水。如果能夠應用其 它星球上存在的水進行電解制備氫和氧，并以此作為空間站和航天器發(fā)動機的 能量來源，就有效解決了人類在空間環(huán)境所需的能源問題，為人類在太空的探 索敞開了大門。水的電解和還原過程無污染且危險性較小，空間中太陽能發(fā)電 的過程效率較高，因此克服了常規(guī)化學推進系統(tǒng)效率低、危險性大、污染嚴重 等問題。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖，圖2是實施方式三中聚合物薄膜電解槽 的結構示意圖，圖3是實施方式三中固體氧化物電解槽。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖1具體說明本實施方式。本實施方式由下述 步驟組成 一、由太陽能獨立供電系統(tǒng)1中的太陽能電池帆板將太陽能轉變?yōu)?電能，供給電解水系統(tǒng)2和氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)3; 二、電解水系統(tǒng)2 利用太陽能獨立供電系統(tǒng)1輸出的電能把水分解為氫氣和氧氣；三、氫氣與氧 氣的凈化與增壓系統(tǒng)3對氫氣和氧氣進行千燥和升壓以備使用。氫氣和氧氣作為發(fā)動機的工質來產生推力。太陽能獨立供電系統(tǒng)1由太陽能電池帆板1-1、控制器1-2、蓄電池1-3和 逆變器1-4組成，太陽能電池帆板1-1的輸出端通過控制器1-2連接到蓄電池1-3 上以將太陽能轉化成電能，并且通過控制器1-2的整流和穩(wěn)壓將電能向蓄電池 充電，蓄電池1-3連接逆變器1-4的輸入端以把蓄電池放出的電流經過逆變器的 整流作用，變成220V交流電供給負載使用。電解水系統(tǒng)2包括開關電源2-1和電解槽2-2，電流在經過可控制的開關電 源2-1的控制調節(jié)后流入電解槽2-2。在電解槽2-2中發(fā)生電解反應，所述開關 電源2-1為斬波器。電解電壓為2-3V，控制生成氫氣的最大流量為500mL/分鐘， 氧氣的最大流量為350mL/分鐘。通過出氣量和氣體給出比控制系統(tǒng)控制氫氣的 出口壓力為0. 4MPa，氧氣的出口壓力為0. 25-0. 3MPa。氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)3對氫氣和氧氣進行干燥并用壓縮機升壓至10 Mpa后存入鋼瓶。
具體實施方式
二下面結合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同之處是電解水系統(tǒng)2還包括氣體流量反饋電路2-3和氣體壓力反 饋電路2-4，氣體流量反饋電路2-3采集電解槽2-2的氧氣和氫氣出口的流量， 以控制開關電源2-1輸出的電流值，從而使電解槽2-2的氧氣和氫氣出口的流 量保持在允許范圍內；氣體壓力反饋電路2-4采集電解槽2-2的氧氣和氫氣出口 的壓力，以控制開關電源2-1輸出的電流值，從而使電解槽2-2的氧氣和氫氣 出口的壓力保持在允許范圍內；它們二者的作用是在電解水產生的氣體壓力或 流量過大時，及時控制輸入電解槽的電流，使本系統(tǒng)的安全性大大提高。當電 解槽內的氣體產生量大于500mL/分鐘時，將通過氣體流量反饋電路控制開關電 源2-l，調節(jié)輸入電解槽的電流，控制電解槽內的電解反應，從而控制氣體產生 量。這種氣體流量對電解電流的控制構成了本系統(tǒng)的氣體流量反饋控制系統(tǒng)。 另外，當氫氣和氧氣的出口壓力大于所設定的最大值時，氣體壓力反饋電路將 開始工作，控制開關電源的電流輸出量，調節(jié)電解槽內的電解反應，從而控制 氣體的產生量。這種根據(jù)氣體壓力對電解電流進行的控制構成了氣體壓力反饋 控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過兩個氣體反饋系統(tǒng)有力的保障安全有效的實現(xiàn)太陽能向 氫能和氧能的轉變。
具體實施方式
三下面結合圖2和3具體說明本實施方式。本實施方式與 實施方式一的不同之處是電解槽2-2是堿性電解槽、聚合物薄膜電解槽或固體 氧化物電解槽。圖2是聚合物薄膜電解槽的結構示意圖。聚合物薄膜電解槽主要由陽極6、 陰極7和質子交換膜8組成，質子交換膜8通常與電極催化劑9構成一體化結 構，在這種結構中，以多孔的鉑材料作為電極催化劑9結構的陽極6和陰極7 是緊貼在質子交換膜8表面的。質子交換膜8主要由nafion構成，包含有S03H。 水分子在陽極被分解成氧和氫離子，氫離子和水分子結合后在電場的作用下穿 過質子交換膜8到達陰極7，在陰極7生成氫氣。聚合物薄膜電解槽不需要電解 液，僅需要純水，因此非常安全可靠。而且，由于質子交換膜具有較高的質子 傳導性，因此聚合物薄膜電解槽可以工作在較高的電流下，從而大大增大了電 解效率。另外，由于質子交換膜較薄，減小了歐姆損失，也提高了系統(tǒng)的效率。固體氧化物電解槽主要采用管式固體氧化物電解槽作為反應設備，其主要結構如圖3。它的工作原理是將高溫水蒸氣12通入管式固體氧化物電解槽后，在 內部的負極10分解成氫和氧，氫得到電子生成氫氣，氧則通過電解質13到達 外部的陽極ll，生成氧氣，圖中附圖標記14是連接體。
權利要求
1、空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備方法，其特征在于它由下述步驟組成一、由太陽能獨立供電系統(tǒng)(1)中的太陽能電池帆板將太陽能轉變?yōu)殡娔?，供給電解水系統(tǒng)(2)和氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)(3)；二、電解水系統(tǒng)(2)利用太陽能獨立供電系統(tǒng)(1)輸出的電能把水分解為氫氣和氧氣；三、氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)(3)對氫氣和氧氣進行干燥和升壓以備使用。
2、 根據(jù)權利要求1所述的空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，其特征在于太陽能獨立供電系統(tǒng)(l)由太陽能電池帆板(l-l)、控制器(l-2)、 蓄電池(l-3)和逆變器(l-4)組成，太陽能電池帆板(l-l)的輸出端通過控制器(l-2) 連接到蓄電池(l-3)上以將太陽能轉化成電能，并且通過控制器(l-2)的整流和穩(wěn) 壓將電能向蓄電池充電，蓄電池(l-3)連接逆變器(l-4)的輸入端以把蓄電池放出 的電流經過逆變器的整流作用，變成220V交流電供給負載使用。
3、 根據(jù)權利要求1所述的空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，其特征在于電解水系統(tǒng)(2)包括開關電源(2-l)和電解槽(2-2)，電流在經過 可控制的開關電源(2-1)的控制調節(jié)后流入電解槽(2-2)。
4、 根據(jù)權利要求3所述的空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，其特征在于電解水系統(tǒng)(2)還包括氣體流量反饋電路(2-3)和氣體壓力反饋 電路(2-4)，氣體流量反饋電路(2-3)采集電解槽(2-2)的氧氣和氫氣出口的流量， 以控制開關電源(2-l)輸出的電流值，從而使電解槽(2-2)的氧氣和氫氣出口的流 量保持在允許范圍內；氣體壓力反饋電路(2-4)采集電解槽(2-2)的氧氣和氫氣出 口的壓力，以控制開關電源(2-l)輸出的電流值，從而使電解槽(2-2)的氧氣和氫 氣出口的壓力保持在允許范圍內。
5、 根據(jù)權利要求3所述的空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，其特征在于電解槽(2-2)是堿性電解槽、聚合物薄膜電解槽或固體氧化物 電解槽。
6、 根據(jù)權利要求1所述的空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備 方法，其特征在于氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)(3)對氫氣和氧氣進行干燥并用 壓縮機升壓至10 Mpa后存入鋼瓶。
全文摘要
空間飛行器的太陽能水基高壓高純氫氧燃料制備方法，本發(fā)明涉及空間飛行器的燃料制備方法。用制備出的氫、氧作為推進系統(tǒng)的推進劑，以克服常規(guī)化學推進系統(tǒng)效率低、危險性大、污染嚴重等問題。它由下述步驟組成一、由太陽能獨立供電系統(tǒng)(1)中的太陽能電池帆板將太陽能轉變?yōu)殡娔埽┙o電解水系統(tǒng)(2)和氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)(3)；二、電解水系統(tǒng)(2)利用太陽能獨立供電系統(tǒng)(1)輸出的電能把水分解為氫氣和氧氣；三、氫氣與氧氣的凈化與增壓系統(tǒng)(3)對氫氣和氧氣進行干燥和升壓以備使用。
文檔編號C25B1/04GK101220481SQ20071014436
公開日2008年7月16日 申請日期2007年9月26日 優(yōu)先權日2007年9月26日
發(fā)明者玲 劉, 孫克寧, 張乃慶, 超 鄧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學