CN112046800A - 一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，包括依次层叠布置的阳极模块、质子交换膜和阴极模块；所述阳极模块通过偏置电压、或偏置电压结合光对原料流体进行分解而获得第一流体，所述阴极模块通过阳极模块产生的氢离子和偏置电压对原料流体进行分解而获得第二流体；所述阳极模块内形成有用于流体流动的第一流道。本发明的人工光合作用装置采用多层板结构组成，通过设计微小流道结构降低空间环境下浮力缺失的影响，可以通过对出入水和气体的控制，保证最佳的物理化学过程，满足在微重力环境下高效、可靠的人工光合作用过程。

Description

一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置

技术领域

本发明涉及空间人工光合作用领域，具体涉及一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置。

背景技术

随着人类探索疆域的的拓展，重返月球、载人火星等极具挑战性的航天任务已具备可实施性。美国提出2033年载人登陆火星的目标，主导月球轨道深空门户站的建设，宣布了重返月球计划，并承诺将在10年内建设一座有人月球基地。有人月球基地建设和载人深空探测已成为当前国际太空活动的前沿热点。

将人类呼吸产生的二氧化碳转换为氧气，实现密闭空间的原位资源利用，大大降低有人月球基地、载人深空飞船的物资供应需求，是有人月球基地建设、载人深空探测及火星移民计划的核心能力。

传统的地面人工光合作用装置及其他化学反应装置，在空间弱引力环境下，由于浮力缺失，整个反应过程会随着反应的进行发生效率降低甚至反应中止现象。这些因素严重制约着人工光合作用装置在空间上的应用。因此用于微重力环境下的人工光合作用装置的需求十分迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在微重力环境下反应过程会随着反应的进行发生效率降低甚至反应中止现象，提供一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，包括依次层叠布置的阳极模块、质子交换膜和阴极模块；所述阳极模块通过偏置电压、或偏置电压结合光对原料流体进行分解而获得第一流体，所述阴极模块通过阳极模块产生得氢离子和偏置电压对原料流体进行分解而获得第二流体；所述阳极模块内形成有用于流体流动的第一流道。

本发明的有益效果是：本发明的人工光合作用装置采用多层板结构组成，通过设计微小流道结构降低空间环境下浮力缺失的影响，可以通过对出入水和气体的控制，保证最佳的物理化学过程，满足在微重力环境下高效、可靠的人工光合作用过程。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述阳极模块包括透明阳极板、第一密封绝缘垫以及阳极材料，所述透明阳极板通过第一密封绝缘垫依次层叠布置在所述质子交换膜上，所述第一密封绝缘垫中部为第一镂空结构，所述透明阳极板与所述第一镂空结构对应的位置设有第一流道槽，所述阳极材料位于所述第一镂空结构内并覆设在所述第一流道槽上形成所述第一流道，所述阳极材料连接有为其提供电偏置的导电接线输出部。

采用上述进一步方案的有益效果是：在透明阳极板上加工的流道目的是通过足够大的流阻，将阳极材料上产生的氧气被流体带至出水口，以避免在空间弱引力环境下，由于浮力缺失，氧气聚集在阳极材料附近，而导致的随着反应的进行发生效率降低甚至反应中止现象。第一密封绝缘垫可选用丁晴橡胶垫，第一密封绝缘垫与质子交换膜接触位置通过压实保证密封。

进一步，所述透明阳极板采用PC材料，所述阳极材料采用均匀镀铱、钽的钛网，参与人工光合作用。

采用上述进一步方案的有益效果是：阳极主要结构采用PC材料(不导电)，可以有效隔离两侧偏压，保证催化反应的有效开展。

进一步，所述透明阳极板上开设有分别与所述第一流道槽连通的第一进水口和第一出水口，所述第一流道槽呈弯折结构使其内流体遍历阳极材料。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一流道槽设置成弯折结构，使第一进水口和第一出水口分别位于第一流道槽的两端，第一流道槽将阳极材料覆盖住，其内流体流动过程中将阳极材料上的氧气都带走。

进一步，所述导电接线输出部包括导电块、导电连接结构以及接线转接件，所述导电块与所述阳极材料连接，所述接线转接件安装在所述透明阳极板的周侧壁上，所述导电连接结构分别与所述导电块和接线转接件连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：透明阳极板内设有用于容纳导电块和导电连接结构的凹槽，导电块采用导电金属加工，并与阳极材料通过导电胶连接，导电连接结构包括导电填料或导电弹簧，可将导电填料填充在凹槽内或将导电弹簧置于凹槽内，以导通导电块和接线转接件。通过阳极材料、导电块、导电填料或导电弹簧以及接线转接件，将电偏置通过接线转接件加载至阳极材料。

进一步，所述阴极模块内形成有第二流道和气体通道，所述气体通道位于所述第二流道内，所述第二流道与所述第一流道对应布置。

采用上述进一步方案的有益效果是：第二流道内气体通道的设置，使气路和水路有效隔离的同时，还能够保证第二流道内的流体能够遍历所有的气体通道外侧。

进一步，所述阴极模块包括金属阴极板、阴极反应模块和第二密封绝缘垫，所述金属阴极板靠近所述质子交换膜的一侧设有容纳槽，所述阴极反应模块位于所述容纳槽内，所述阴极反应模块内形成有气体通道；所述第二密封绝缘垫中部形成第二镂空结构，所述金属阴极板通过所述第二密封绝缘垫层叠布置在所述质子交换膜上，使所述容纳槽封闭形成第二流道。

采用上述进一步方案的有益效果是：阴极模块主结构采用金属材料，阳极主结构采用PC材料(不导电)，可以有效隔离两侧偏压，保证催化反应的有效开展。第二流道和气体通道相互独立，使液体、气体在设计的流道夹层中运动，可以保证微重力环境下，液体或气体运动的确定性。第二绝缘密封垫可以使金属阴极板密封压接在质子交换膜上。

进一步，所述阴极反应模块包括分别位于所述容纳槽内的转接件A、中空纤维管和转接件B，所述转接件A和转接件B分别为中空结构且通过中空纤维管连通形成气体通道。

采用上述进一步方案的有益效果是：中空纤维管为多根且阵列排布，并分别通过导电胶与转接件A和转接件B连接。通过金属阴极板、转接件A、转接件B以及数根中空纤维管阵列，将电偏置通过接线转接件加载至中空纤维管阵列中。

进一步，所述容纳槽包括转接件容纳槽和纤维管槽，所述转接件容纳槽为两个且分别容纳转接件A和转接件B，所述纤维管槽布置在两个转接件容纳槽之间且用于容纳中空纤维管；所述第二镂空结构为与所述纤维管槽对应布置的条形镂空。

采用上述进一步方案的有益效果是：转接件容纳槽内容纳转接件A和转接件B，并且使用导电胶导电密封。

进一步，所述金属阴极板上形成有接线端，所述金属阴极板上设有与所述气体通道连通的出入气体柱塞头通过孔，以及与所述第二流道连通的出入水柱塞口，所述出入气体柱塞头通过孔以及所述出入水柱塞口处分别安装有柱塞接头。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述转接件A和转接件B上分别预留有出入柱塞口，分别与金属阴极板上的出入气体柱塞头通过孔通过柱塞接头连接，保证气路的密封性；出入水柱塞口处分别设有柱塞接头，保证水路的密封性。

附图说明

图1为本发明人工光合作用装置的立体结构示意图；

图2为本发明阳极模块的立体结构示意图；

图3为本发明阳极模块中透明阳极板及其上零部件的立体结构示意图；

图4为本发明透明阳极板及其上零部件的主视图和侧视图；

图5为图4中A-A以及B-B的剖面结构示意图；

图6为本发明阴极模块的立体结构示意图；

图7为本发明阴极模块的主视图和侧视图；

图8为图7中A-A以及B-B的剖面结构示意图；

图9为本发明金属阴极板的主视图和侧视图；

图10为图9中A-A以及B-B的剖面结构示意图；

图11为本发明中空纤维管和转接件并联的结构示意图；

图12为本发明中空纤维管和转接件串联的结构示意图；

图13为本发明人工光合作用装置的原理示意图；

图14为本发明人工光合作用装置另一种实施方式的原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、阳极模块；101、透明阳极板；102、第一密封绝缘垫；103、阳极材料；104、第一镂空结构；105、第一流道槽；106、第一进水口；107、第一出水口；108、导电块；109、导电连接结构；110、接线转接件；111、柱塞密封件；

200、阴极模块；201、金属阴极板；202、第二密封绝缘垫；203、第二镂空结构；204、转接件A；205、转接件B；206、中空纤维管；207、转接件容纳槽；208、纤维管槽；209、接线端；210、出入气体柱塞头通过孔；211、出入水柱塞口；212、柱塞接头；213、安装定位孔；214、螺纹孔；215、焊点；

300、质子交换膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图13所示，本实施例的一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，包括依次层叠布置的阳极模块100、质子交换膜300和阴极模块200；所述阳极模块100通过偏置电压、或偏置电压结合光对原料流体进行分解而获得第一流体，所述阴极模块200通过阳极模块100产生的氢离子和偏置电压对原料流体进行分解而获得第二流体；所述阳极模块100内形成有用于流体流动的第一流道。

本实施例的人工光合作用装置采用多层板结构组成，螺钉穿过阳极模块、质子交换膜和阴极模块上的螺纹孔214将其连接起来，通过在阳极模块内设计微小流道结构降低空间环境下浮力缺失的影响，可以通过对出入水和气体的控制，保证最佳的物理化学过程，满足在微重力环境下高效、可靠的人工光合作用过程。本实施例的装置将人类呼吸产生的二氧化碳转换为氧气，实现密闭空间的原位资源利用，大大降低有人月球基地、载人深空飞船的物资供应需求。

如图1-图5所示，具体的，所述阳极模块100包括透明阳极板101、第一密封绝缘垫102以及阳极材料103，所述透明阳极板101通过第一密封绝缘垫102依次层叠布置在所述质子交换膜300上，所述第一密封绝缘垫102中部为第一镂空结构104，所述透明阳极板101与所述第一镂空结构104对应的位置设有第一流道槽105，所述阳极材料103位于所述第一镂空结构104内并覆设在所述第一流道槽105上形成所述第一流道，所述阳极材料103连接有为其提供电偏置的导电接线输出部。在透明阳极板上加工的流道目的是通过足够大的流阻，将阳极材料上产生的氧气被流体带至出水口，以避免在空间弱引力环境下，由于浮力缺失，氧气聚集在阳极材料附近，而导致的随着反应的进行发生效率降低甚至反应中止现象。第一密封绝缘垫可选用丁晴橡胶垫，第一密封绝缘垫与质子交换膜接触位置通过压实保证密封。

其中，所述透明阳极板101采用PC材料，所述阳极材料103采用均匀镀铱、钽的钛网，参与人工光合作用。阳极主要结构采用PC材料(不导电)，可以有效隔离两侧偏压，保证催化反应的有效开展。

如图3-图5所示，本实施例的所述透明阳极板101上开设有分别与所述第一流道槽105连通的第一进水口106和第一出水口107，所述第一流道槽105呈弯折结构使其内流体遍历阳极材料103。第一流道槽设置成弯折结构，使第一进水口和第一出水口分别位于第一流道槽的两端，第一流道槽将阳极材料覆盖住，其内流体流动过程中将阳极材料上的氧气都带走。

如图5所示，本实施例的一个具体方案为，所述导电接线输出部包括导电块108、导电连接结构109以及接线转接件110，所述导电块108与所述阳极材料103连接，所述接线转接件110安装在所述透明阳极板101的周侧壁上，所述导电连接结构109分别与所述导电块108和接线转接件110连接。透明阳极板内设有用于容纳导电块和导电连接结构的凹槽，导电块采用导电金属加工，并与阳极材料通过导电胶连接，导电连接结构包括导电填料或导电弹簧，可将导电填料填充在凹槽内或将导电弹簧(如图5所示)置于凹槽内，以导通导电块和接线转接件。通过阳极材料、导电块、导电填料或导电弹簧以及接线转接件，将电偏置通过接线转接件加载至阳极材料103。

如图7和图8所示，本实施例的所述阴极模块200内形成有第二流道和气体通道，所述气体通道位于所述第二流道内，所述第二流道与所述第一流道对应布置。第二流道内气体通道的设置，使气路和水路有效隔离的同时，还能够保证第二流道内的流体能够遍历所有的气体通道外侧。

如图6-图12所示，所述阴极模块200包括金属阴极板201、阴极反应模块和第二密封绝缘垫202，所述金属阴极板201靠近所述质子交换膜300的一侧设有容纳槽，所述阴极反应模块位于所述容纳槽内，所述阴极反应模块内形成有气体通道；所述第二密封绝缘垫202中部形成第二镂空结构203，所述金属阴极板201通过所述第二密封绝缘垫202层叠布置在所述质子交换膜300上，使所述容纳槽封闭形成第二流道。阴极模块主结构采用金属材料，阳极主结构采用PC材料(不导电)，可以有效隔离两侧偏压，保证催化反应的有效开展。第二流道和气体通道相互独立，使液体、气体在设计的流道夹层中运动，可以保证微重力环境下，液体或气体运动的确定性。第二绝缘密封垫可以使金属阴极板密封压接在质子交换膜上。

另外，所述透明阳极板101、第一密封绝缘垫102、质子交换膜300、金属阴极板201以及第二密封绝缘垫202上分别设有安装定位孔213，防止安装错误。

具体的，如图7-图12所示，所述阴极反应模块包括分别位于所述容纳槽内的转接件A204、中空纤维管206和转接件B205，所述转接件A204和转接件B205分别为中空结构且通过中空纤维管206连通形成气体通道。中空纤维管206为多根，可以采用并联或串联的方式排布在转接件A204和转接件B205之间。多根中空纤维管206并联布置时，分别通过导电胶与转接件A204和转接件B205连接且分别连通。多根中空纤维管206串联布置时，多根中空纤维管206分别通过导电胶与转接件A204和转接件B205连接且连通，其中，转接件A204和转接件B205内部分段焊接，形成如图12所示的流道。通过金属阴极板、转接件A、转接件B以及中空纤维管，将电偏置通过接线端209加载至中空纤维管中。优选的，所述中空纤维管可选用中空纤维铜管。

其中，如图9和图10所示，所述容纳槽包括转接件容纳槽207和纤维管槽208，所述转接件容纳槽207为两个且分别容纳转接件A204和转接件B205，所述纤维管槽208布置在两个转接件容纳槽207之间且用于容纳中空纤维管206；所述第二镂空结构203为与所述纤维管槽208对应布置的条形镂空。转接件容纳槽内容纳转接件A和转接件B，并且使用导电胶导电密封。所述纤维管槽208是由多个挡筋分隔而成，多根挡筋间隔平行布置，使中空纤维管置于挡筋之间。

如图6-图10所示，所述金属阴极板201上形成有接线端209，所述金属阴极板201上设有与所述气体通道连通的出入气体柱塞头通过孔210，以及与所述第二流道连通的出入水柱塞口211，所述出入气体柱塞头通过孔210以及所述出入水柱塞口211处分别安装有柱塞接头212，所述出入水柱塞口211分别与第二出水口和第二进水口连通。所述转接件A204和转接件B205上分别预留有出入柱塞口，柱塞接头212分别与转接件A204和转接件B205上分别预留有的出入柱塞口以及出入气体柱塞头通过孔210，柱塞密封，保证气路和水路的密封性。

如图1所示，本实施例的阳极模块100、质子交换膜300以及阴极模块200分别通过螺栓穿过螺纹孔214进行密封固定，其上均设有一个安装定位孔213，防止错误安装。

本实施例的一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置的工作原理为，如图13所示，阳极模块溶液中产生的氢离子(H⁺)，能穿过质子交换膜(只能让氢离子穿过)到达阴极模块溶液中，氢离子(H+)在离子溶液(KHCO₃)中与阴极材料(中空纤维铜管)接触，并与管内部通的CO₂气体反应。本实施例的阳极模块100的第一进水口106为KHCO₃等离子液体，阳极模块100的第一出水口107为KHCO₃等离子液体加上氧气。而阴极模块200的第二进水口的液体为KHCO₃等离子液体，进气口为CO₂气体；第二出水口为KHCO₃等离子液体，出气口产生物质为未反应的CO₂气体+甲酸+CO+H₂等物质。本装置的目的是收集阳极出水口产生的O₂和阴极出气口输出的甲酸及其他可利用物质。

本发明装置中，阴极模块除了上述结构外，还可以采用和阳极模块一样的结构形式(具体也可采用阳极模块的流道，流阻比较大，可以将阴极模块中通入的二氧化碳气泡、生成物(一氧化碳、氢气以及其他生成物)全部带走，不附着在阴极材料表面，保证反应的可靠开展)，具体如图14所示，其中阴极模块的入口，通入的是离子液体和CO₂气体的混合液体；输出的是离子液体和CO₂气体还有反应生成物。

本装置可用于光电催化及电催化反应。其中本实施例的所述阳极材料为均匀镀铱、钽的钛网，阴极材料为中空纤维铜，主要用在电催化反应。采用不同的催化材料，可以用于不同的催化反应(光电催化及电催化反应)，亦可产生不同的催化效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，包括依次层叠布置的阳极模块、质子交换膜和阴极模块；所述阳极模块通过偏置电压、或偏置电压结合光对原料流体进行分解而获得第一流体，所述阴极模块通过阳极模块产生的氢离子和偏置电压对原料流体进行分解而获得第二流体；所述阳极模块内形成有用于流体流动的第一流道。

2.根据权利要求1所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述阳极模块包括透明阳极板、第一密封绝缘垫以及阳极材料，所述透明阳极板通过第一密封绝缘垫依次层叠布置在所述质子交换膜上，所述第一密封绝缘垫中部为第一镂空结构，所述透明阳极板与所述第一镂空结构对应的位置设有第一流道槽，所述阳极材料位于所述第一镂空结构内并覆设在所述第一流道槽上形成所述第一流道，所述阳极材料连接有为其提供电偏置的导电接线输出部。

3.根据权利要求2所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述透明阳极板采用PC材料。

4.根据权利要求2所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述透明阳极板上开设有分别与所述第一流道槽连通的第一进水口和第一出水口，所述第一流道槽呈弯折结构使其内流体遍历阳极材料。

5.根据权利要求2所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述导电接线输出部包括导电块、导电连接结构以及接线转接件，所述导电块与所述阳极材料连接，所述接线转接件安装在所述透明阳极板的周侧壁上，所述导电连接结构分别与所述导电块和接线转接件连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述阴极模块内形成有第二流道和气体通道，所述气体通道位于所述第二流道内，所述第二流道与所述第一流道对应布置。

7.根据权利要求1至5任一项所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述阴极模块包括金属阴极板、阴极反应模块和第二密封绝缘垫，所述金属阴极板靠近所述质子交换膜的一侧设有容纳槽，所述阴极反应模块位于所述容纳槽内，所述阴极反应模块内形成有气体通道；所述第二密封绝缘垫中部形成第二镂空结构，所述金属阴极板通过所述第二密封绝缘垫层叠布置在所述质子交换膜上，使所述容纳槽封闭形成第二流道。

8.根据权利要求7所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述阴极反应模块包括分别位于所述容纳槽内的转接件A、中空纤维管和转接件B，所述转接件A和转接件B分别为中空结构且通过中空纤维管连通形成气体通道。

9.根据权利要求8所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述容纳槽包括转接件容纳槽和纤维管槽，所述转接件容纳槽为两个且分别容纳转接件A和转接件B，所述纤维管槽布置在两个转接件容纳槽之间且用于容纳中空纤维管；所述第二镂空结构为与所述纤维管槽对应布置的条形镂空。

10.根据权利要求7所述一种微重力环境下用多层板人工光合作用装置，其特征在于，所述金属阴极板上形成有接线端，所述金属阴极板上设有与所述气体通道连通的出入气体柱塞头通过孔，以及与所述第二流道连通的出入水柱塞口，所述出入气体柱塞头通过孔以及所述出入水柱塞口处分别安装有柱塞接头。

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