CN101220481B - 空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法 - Google Patents

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Abstract

空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法，本发明涉及空间飞行器的燃料制备方法。用制备出的氢、氧作为推进系统的推进剂，以克服常规化学推进系统效率低、危险性大、污染严重等问题。它由下述步骤组成：一、由太阳能独立供电系统(1)中的太阳能电池帆板将太阳能转变为电能，供给电解水系统(2)和氢气与氧气的净化与增压系统(3)；二、电解水系统(2)利用太阳能独立供电系统(1)输出的电能把水分解为氢气和氧气；三、氢气与氧气的净化与增压系统(3)对氢气和氧气进行干燥和升压以备使用。

Description

空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法
技术领域
本发明涉及空间飞行器的燃料制备方法。
背景技术
21世纪是军事航天的世纪。在未来战争中，近体空间将成为新的制高点，对现代战争有革命性的影响。人类将在近体空间展开一场前所未有的，以开发利用空间丰富资源和争夺控制权为主要内容的大竞争，航天武器装备将会得到更加迅速的发展。推进系统是机动飞行器正常工作和运行的重要保障，因此也是各国研究开发的重点。推进系统按照推力产生的方式可以分为常规的化学推进系统和非常规的电、核、激光等推进系统。在机动空间平台中，常规化学推进系统具有效率低、危险性大、污染严重等问题，不能满足现代飞行器的要求，因此开发和研制新型非常规推进系统具有重要的实际意义和巨大的应用前景。氢能和氧能是二十一世纪航天航空领域重要的动力来源。利用氢能和氧能的水基推进技术是最具发展前途的新型非常规推进技术之一，它具有效率高、安全性好及使用方便等特点，对机动空间平台推进技术的发展具有重要的意义。但目前在空间飞行器上制备氢能和氧能的技术还不成熟。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法，用制备出的氢、氧作为推进系统的推进剂，以克服常规化学推进系统效率低、危险性大、污染严重等问题。
空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法，它由下述步骤组成：一、由太阳能独立供电系统中的太阳能电池帆板将太阳能转变为电能，供给电解水系统和氢气与氧气的净化与增压系统；二、电解水系统利用太阳能独立供电系统输出的电能把水分解为氢气和氧气；三、氢气与氧气的净化与增压系统对氢气和氧气进行干燥和升压以备使用，电解水系统包括开关电源和电解槽，电流在经过可控制的开关电源的控制调节后流入电解槽；其特征在于电解水系统还包括气体流量反馈电路和气体压力反馈电路，气体流量反馈电路采集电解槽的氧气和氢气出口的流量，以控制开关电源输出的电流值，控制生成氢气的最大流量为500ml/分钟，氧气的的最大流量为350ml/分钟；气体压力反馈电路采集电解槽的氧气和氢气出口的压力，以控制开关电源输出的电流值，从而使电解槽的氧气出口的压力保持在0.25MPa-0.3MPa，氢气出口的压力保持在0.4MPa。
在自然界中，氢和氧是以结合水的形式存在的，因此如果通过电分解的方法把它们分别从水中分离出来，再分别进行处理，成为航天器所需的动力源，则有效解决了航天领域飞行器能量来源的问题，对宇航科技的发展具有十分重要的意义。太阳能是一种清洁的能源，如果利用太阳能来制氢和氧，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的能源，其意义十分重大。最近，已有报道证实，在月球和其他星球上可以提炼出液态水。如果能够应用其它星球上存在的水进行电解制备氢和氧，并以此作为空间站和航天器发动机的能量来源，就有效解决了人类在空间环境所需的能源问题，为人类在太空的探索敞开了大门。水的电解和还原过程无污染且危险性较小，空间中太阳能发电的过程效率较高，因此克服了常规化学推进系统效率低、危险性大、污染严重等问题。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图，图2是实施方式三中聚合物薄膜电解槽的结构示意图，图3是实施方式三中固体氧化物电解槽。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由下述步骤组成：一、由太阳能独立供电系统1中的太阳能电池帆板将太阳能转变为电能，供给电解水系统2和氢气与氧气的净化与增压系统3；二、电解水系统2利用太阳能独立供电系统1输出的电能把水分解为氢气和氧气；三、氢气与氧气的净化与增压系统3对氢气和氧气进行干燥和升压以备使用。氢气和氧气作为发动机的工质来产生推力。
太阳能独立供电系统1由太阳能电池帆板1-1、控制器1-2、蓄电池1-3和逆变器1-4组成，太阳能电池帆板1-1的输出端通过控制器1-2连接到蓄电池1-3上以将太阳能转化成电能，并且通过控制器1-2的整流和稳压将电能向蓄电池充电，蓄电池1-3连接逆变器1-4的输入端以把蓄电池放出的电流经过逆变器的整流作用，变成220V交流电供给负载使用。
电解水系统2包括开关电源2-1和电解槽2-2，电流在经过可控制的开关电源2-1的控制调节后流入电解槽2-2。在电解槽2-2中发生电解反应，所述开关电源2-1为斩波器。电解电压为2-3V，控制生成氢气的最大流量为500mL/分钟，氧气的最大流量为350mL/分钟。通过出气量和气体给出比控制系统控制氢气的出口压力为0.4MPa，氧气的出口压力为0.25-0.3MPa。
氢气与氧气的净化与增压系统3对氢气和氧气进行干燥并用压缩机升压至10Mpa后存入钢瓶。
具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：电解水系统2还包括气体流量反馈电路2-3和气体压力反馈电路2-4，气体流量反馈电路2-3采集电解槽2-2的氧气和氢气出口的流量，以控制开关电源2-1输出的电流值，从而使电解槽2-2的氧气和氢气出口的流量保持在允许范围内；气体压力反馈电路2-4采集电解槽2-2的氧气和氢气出口的压力，以控制开关电源2-1输出的电流值，从而使电解槽2-2的氧气和氢气出口的压力保持在允许范围内；它们二者的作用是在电解水产生的气体压力或流量过大时，及时控制输入电解槽的电流，使本系统的安全性大大提高。当电解槽内的气体产生量大于500mL/分钟时，将通过气体流量反馈电路控制开关电源2-1，调节输入电解槽的电流，控制电解槽内的电解反应，从而控制气体产生量。这种气体流量对电解电流的控制构成了本系统的气体流量反馈控制系统。另外，当氢气和氧气的出口压力大于所设定的最大值时，气体压力反馈电路将开始工作，控制开关电源的电流输出量，调节电解槽内的电解反应，从而控制气体的产生量。这种根据气体压力对电解电流进行的控制构成了气体压力反馈控制系统。本系统通过两个气体反馈系统有力的保障安全有效的实现太阳能向氢能和氧能的转变。
具体实施方式三：下面结合图2和3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：电解槽2-2是碱性电解槽、聚合物薄膜电解槽或固体氧化物电解槽。
图2是聚合物薄膜电解槽的结构示意图。聚合物薄膜电解槽主要由阳极6、 阴极7和质子交换膜8组成，质子交换膜8通常与电极催化剂9构成一体化结构，在这种结构中，以多孔的铂材料作为电极催化剂9结构的阳极6和阴极7是紧贴在质子交换膜8表面的。质子交换膜8主要由nafion构成，包含有SO3H。水分子在阳极被分解成氧和氢离子，氢离子和水分子结合后在电场的作用下穿过质子交换膜8到达阴极7，在阴极7生成氢气。聚合物薄膜电解槽不需要电解液，仅需要纯水，因此非常安全可靠。而且，由于质子交换膜具有较高的质子传导性，因此聚合物薄膜电解槽可以工作在较高的电流下，从而大大增大了电解效率。另外，由于质子交换膜较薄，减小了欧姆损失，也提高了系统的效率。
固体氧化物电解槽主要采用管式固体氧化物电解槽作为反应设备，其主要结构如图3。它的工作原理是将高温水蒸气12通入管式固体氧化物电解槽后，在内部的负极10分解成氢和氧，氢得到电子生成氢气，氧则通过电解质13到达外部的阳极11，生成氧气，图中附图标记14是连接体。

Claims (1)

1.空间飞行器的太阳能水基高压高纯氢氧燃料制备方法，其特征在于它由下述步骤组成：一、由太阳能独立供电系统(1)中的太阳能电池帆板将太阳能转变为电能，供给电解水系统(2)和氢气与氧气的净化与增压系统(3)；二、电解水系统(2)利用太阳能独立供电系统(1)输出的电能把水分解为氢气和氧气；三、氢气与氧气的净化与增压系统(3)对氢气和氧气进行干燥和升压以备使用，电解水系统(2)包括开关电源(2-1)和电解槽(2-2)，电流在经过可控制的开关电源(2-1)的控制调节后流入电解槽(2-2)；其特征在于电解水系统(2)还包括气体流量反馈电路(2-3)和气体压力反馈电路(2-4)，气体流量反馈电路(2-3)采集电解槽(2-2)的氧气和氢气出口的流量，以控制开关电源(2-1)输出的电流值，控制生成氢气的最大流量为500ml/分钟，氧气的最大流量为350ml/分钟；气体压力反馈电路(2-4)采集电解槽(2-2)的氧气和氢气出口的压力，以控制开关电源(2-1)输出的电流值，从而使电解槽(2-2)的氧气出口的压力保持在0.25MPa-0.3MPa，氢气出口的压力保持在0.4MPa。 
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