CN112855381A - 基于光解水制氢技术的空间混合推进系统 - Google Patents

基于光解水制氢技术的空间混合推进系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，以解决现有的水基推进系统中，太阳能电池帆板体积庞大，质子交换膜水电解池对电能要求较高、电能损失较多、制氢效率较低，且推进系统结构复杂的问题。该系统包括水贮箱、光解水模块、氢氧存储模块、氢氧流量控制模块、氢氧发动机模块和氧冷气发动机模块。光解水模块包括电解池、质子交换膜、产氢电极、产氧电极和聚光器，质子交换膜设置在电解池内，并将电解池分隔为产氢室和产氧室，产氢电极和产氧电极分别设置在产氢室和产氧室内，聚光器设置在产氧室上方。水贮箱用于向光解水模块供水，氢氧存储模块用于贮存氢气和氧气，并通过氢氧流量控制模块供给氢氧发动机模块和氧冷气发动机模块。

Description

基于光解水制氢技术的空间混合推进系统
技术领域
本发明涉及空间推进技术领域，具体涉及一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统。
背景技术
太阳能是一种清洁的可再生能源，能量巨大，目前人类利用太阳能的方式主要有两种：一种是利用研发的太阳能电池板将太阳能直接转换成电能，因受日照时间的影响，只能在每天特定的时间输出较大功率的电力；另一种是将太阳能通过光催化作用转化成氢能进行存储和利用。
水基推进技术是一种基于质子交换膜水电解池(SPE)、空间气氢气氧发动机以及氢电弧推力器的空间推进技术，具体是通过太阳能独立供电系统中的太阳能电池帆板将太阳能转变成电能，供给电解水系统，通过电解水产生氢氧气体供给到发动机产生推力。但是，太阳能电池帆板体积庞大，质子交换膜水电解池对电能要求较高、电能损失较多、制氢效率较低，且推进系统结构复杂。因此，水基推进系统有待进一步优化。
发明内容
本发明的目的是解决现有的水基推进系统中，太阳能电池帆板体积庞大，质子交换膜水电解池对电能要求较高、电能损失较多、制氢效率较低，且推进系统结构复杂的问题，而提供了一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特殊之处在于：
包括水贮箱、光解水模块、氢氧存储模块、氢氧流量控制模块、氢氧发动机模块和氧冷气发动机模块；
所述光解水模块包括电解池、质子交换膜、产氢电极、产氧电极和聚光器；
所述质子交换膜设置在电解池内，并将电解池分隔为产氢室和产氧室；所述产氢电极和产氧电极分别设置在产氢室和产氧室内；所述聚光器设置在产氧室上方，用于收集太阳光；
所述水贮箱用于向光解水模块供水，其出水口与产氧室连通；
所述氢氧存储模块包括氢水汽分离器、氧水汽分离器、氢贮箱、氧贮箱；
所述产氢室、氢水汽分离器、氢贮箱依次连接；
所述产氧室、氧水汽分离器、氧贮箱依次连接；
所述氢氧流量控制模块包括设置在氢贮箱输出管路上的压力表和氢减压器，以及设置在氧贮箱输出管路上的压力表和氧减压器；
所述氢贮箱输出的氢气经氢减压器减压后，供入氢氧发动机模块；
所述氧贮箱输出的氧气经氧减压器减压后，一部分供入氢氧发动机模块，另一部分供入氧冷气发动机模块。
进一步地，所述氢氧存储模块还包括氢增压泵和氧增压泵；
所述氢水汽分离器通过氢增压泵与氢贮箱连接；
所述氧水汽分离器通过氧增压泵与氧贮箱连接。
进一步地，所述氢水汽分离器和氧水汽分离器分离出来的水分别输送至产氧室。
进一步地，所述氢氧发动机模块包括多个氢氧发动机；
所述氢氧发动机所需氧气和氢气质量比为4～6：1。
进一步地，所述氢贮箱和氧贮箱的额定存储压力为2～8MPa。
进一步地，所述经氢减压器减压后的氢气以及经氧减压器减压后的氧气，其气压为1.2～1.5MPa。
进一步地，所述产氧电极包括耦合串联的自偏压PN结和半导体光阳极。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明提供的一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，利用太阳能光电催化反应制氢制氧，并将气氢气氧供给到发动机产生推力，与传统太阳能电解水制氢推进技术相比，本发明中太阳能直接通过光电催化反应转变为氢能，省略了太阳能先转变为电能这一环节，不需要太阳能独立供电系统，大大简化了光能向氢能转变的系统结构，提高了太阳能的利用效率和制氢效率；
(2)本发明中，通过氢氧发动机模块和氧冷气发动机模块的组合使用，使水分解产生的气氢气氧得到充分高效利用，从而为航天器的深空探测提供在轨运行动力；
(3)本发明中，光解水得到的氢氧气体质量比为1:8，而传统的混合比为8:1的氢氧发动机燃烧温度过高，难以长期稳定工作，本发明中的氢氧发动机设计混合比为4～6：1，稳定性较好；多余的氧气用于冷气推进，有利于调整氢氧气体的消耗比例，实现氢氧气体有效利用。
附图说明
图1是本发明基于光解水制氢技术的空间混合推进系统一个实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中水贮箱的结构示意图；
图3是本发明实施例中光解水模块的结构示意图；
图4是本发明实施例中氢氧存储模块的结构示意图；
图5是本发明实施例中氢氧流量控制模块的结构示意图；
图6是本发明实施例中氢氧发动机模块的结构示意图；
图7是本发明实施例中氧冷气发动机模块的结构示意图。
图中，1-水贮箱，2-光解水模块，3-氢氧存储模块，4-氢氧流量控制模块，5-氢氧发动机模块，6-氧冷气发动机模块，7-进水阀，8-出水阀，9-聚光器，10-产氢电极，11-产氧电极，12-电解池，13-质子交换膜，14-产氢室，15-产氧室，16-氢水汽分离器，17-氧水汽分离器，18-氢增压泵，19-氧增压泵，20-氢贮箱，21-氧贮箱，22-压力表，23-氢减压器，24-氧减压器，25-氢氧发动机，26-氧冷气发动机。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统作进一步详细说明。
光解水制氢技术是利用光催化材料和太阳能将水分解成氢气和氧气，以解决太阳能储存问题和氢能的绿色生产问题的一种化学技术，主要有光催化和光电催化两种方式，相对于光催化而言，光电催化的优势在于它可以有效地分离并收集氢气和氧气。本发明的光解水制氢技术就采用了光电催化的方式，将催化剂沉积在导电基底上形成光电极，光电极与铂对电极或者另一光电极组成一个两电极系统，将两光电极浸入电解液中，在光照和一定自偏压下，分别从两电极产生氧气和氢气，氢气、氧气分别在阴阳极产生，有效地抑制了逆反应的发生，实现了氢气氧气的有效分离。
该基于光解水制氢技术的空间混合推进系统如图1所示，包括水贮箱1、光解水模块2、氢氧存储模块3、氢氧流量控制模块4、氢氧发动机模块5和氧冷气发动机模块6。
如图2所示，水贮箱1用于向光解水模块2供水，其顶端设有进水口，进水口的连接管路上设有进水阀7，用于控制水的加注；其底端设有出水口，出水口的连接管路上设有出水阀8，用于控制水的输出。
如图3所示，光解水模块2包括电解池12、质子交换膜13、产氢电极10、产氧电极11和聚光器9。
质子交换膜13设置在电解池12内，并将电解池12分隔为产氢室14和产氧室15，产氢电极10和产氧电极11分别设置在产氢室14和产氧室15内，聚光器9设置在产氧室15上方，用于收集太阳光。水贮箱1的出水口与产氧室15连通。产氧电极11是由自偏压PN结和半导体光阳极进行耦合串联而成，能够实现在无外加电能输入条件下制氢制氧。产氧电极11和产氢电极10分别浸入电解池12中，在光照和一定自偏压下，水得到光解，氢离子通过质子交换膜13进入产氢室14，分别从产氢电极10和产氧电极11产生氢气和氧气。
如图4所示，氢氧存储模块3包括氢水汽分离器16、氧水汽分离器17、氢增压泵18、氧增压泵19、氢贮箱20、氧贮箱21。氢贮箱20和氧贮箱21的额定存储压力为2～8MPa。
产氢室14、氢水汽分离器16、氢贮箱20依次连接，产氢室14产生的氢气通过氢水汽分离器16进行水汽分离后，贮存在氢贮箱20内，分离出来的水输送至产氧室15；产氧室15、氧水汽分离器17、氧贮箱21依次连接，产氧室15产生的氧气通过氧水汽分离器17进行水汽分离后，贮存在氧贮箱21内，分离出来的水输送至产氧室15。
此外，氢水汽分离器16还通过氢增压泵18与氢贮箱20连接，氧水汽分离器17还通过氧增压泵19与氧贮箱21连接。当产氢室14的压力高于氢贮箱20内的压力时，其产生的氢气直接贮存到氢贮箱20内；当产氢室14的压力低于氢贮箱20内的压力时，其产生的氢气通过氢增压泵18增压后贮存到氢贮箱20内。当产氧室15的压力高于氧贮箱21内的压力时，其产生的氧气直接贮存到氧贮箱21内；当产氧室15的压力低于氧贮箱21内的压力时，其产生的氧气通过氧增压泵19增压后贮存到氧贮箱21内。
如图5所示，氢氧流量控制模块4包括设置在氢贮箱20输出管路上的压力表22和氢减压器23，以及设置在氧贮箱21输出管路上的压力表22和氧减压器24。
氢贮箱20输出的氢气经氢减压器23减压至1.2～1.5MPa后，供入氢氧发动机模块5；氧贮箱21输出的氧气经氧减压器24减压至1.2～1.5MPa后，一部分供入氢氧发动机模块5，另一部分供入氧冷气发动机模块6。
如图6所示，氢氧发动机模块5产生的推力用于深空探测器的高度保持，包括多个氢氧发动机25，每一氧气支路和氢气支路对应一个氢氧发动机25。氢氧发动机25作为轨控发动机使用，其推力和数量由深空探测器推进需求来确定。氢氧发动机25所需氧气和氢气质量比为4～6：1。
如图7所示，氧冷气发动机模块6产生的推力用于深空探测器的姿态位置保持，包括多个氧冷气发动机26，每一氧气支路对应一个氧冷气发动机26。氧冷气发动机26作为姿控发动机使用，其推力和数量由深空探测器推进需求来确定。

Claims (7)

1.一种基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
包括水贮箱(1)、光解水模块(2)、氢氧存储模块(3)、氢氧流量控制模块(4)、氢氧发动机模块(5)和氧冷气发动机模块(6)；
所述光解水模块(2)包括电解池(12)、质子交换膜(13)、产氢电极(10)、产氧电极(11)和聚光器(9)；
所述质子交换膜(13)设置在电解池(12)内，并将电解池(12)分隔为产氢室(14)和产氧室(15)；所述产氢电极(10)和产氧电极(11)分别设置在产氢室(14)和产氧室(15)内；所述聚光器(9)设置在产氧室(15)上方，用于收集太阳光；
所述水贮箱(1)用于向光解水模块(2)供水，其出水口与产氧室(15)连通；
所述氢氧存储模块(3)包括氢水汽分离器(16)、氧水汽分离器(17)、氢贮箱(20)、氧贮箱(21)；
所述产氢室(14)、氢水汽分离器(16)、氢贮箱(20)依次连接；
所述产氧室(15)、氧水汽分离器(17)、氧贮箱(21)依次连接；
所述氢氧流量控制模块(4)包括设置在氢贮箱(20)输出管路上的压力表(22)和氢减压器(23)，以及设置在氧贮箱(21)输出管路上的压力表(22)和氧减压器(24)；
所述氢贮箱(20)输出的氢气经氢减压器(23)减压后，供入氢氧发动机模块(5)；
所述氧贮箱(21)输出的氧气经氧减压器(24)减压后，一部分供入氢氧发动机模块(5)，另一部分供入氧冷气发动机模块(6)。
2.根据权利要求1所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述氢氧存储模块(3)还包括氢增压泵(18)和氧增压泵(19)；
所述氢水汽分离器(16)通过氢增压泵(18)与氢贮箱(20)连接；
所述氧水汽分离器(17)通过氧增压泵(19)与氧贮箱(21)连接。
3.根据权利要求2所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述氢水汽分离器(16)和氧水汽分离器(17)分离出来的水分别输送至产氧室(15)。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述氢氧发动机模块(5)包括多个氢氧发动机(25)；
所述氢氧发动机(25)所需氧气和氢气质量比为4～6：1。
5.根据权利要求4所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述氢贮箱(20)和氧贮箱(21)的额定存储压力为2～8MPa。
6.根据权利要求5所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述经氢减压器(23)减压后的氢气以及经氧减压器(24)减压后的氧气，其气压为1.2～1.5MPa。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于光解水制氢技术的空间混合推进系统，其特征在于：
所述产氧电极(11)包括耦合串联的自偏压PN结和半导体光阳极。
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