CN113278997A - 用于地外空间的二氧化碳还原装置及二氧化碳还原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于地外空间的二氧化碳还原装置及二氧化碳还原方法，二氧化碳还原装置，包括：用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理的二氧化碳提纯装置(1)，电源装置(2)，液体循环及气体干燥装置(3)，以及分别与所述二氧化碳提纯装置(1)，所述电源装置(2)，所述液体循环及干燥装置(3)相连接的反应器(4)；所述电源装置(2)用于对所述反应器(4)加电；所述反应器(4)分别接收所述二氧化碳提纯装置(1)所产生的提纯溶液和所述液体循环及气体干燥装置(3)输出的碱性溶液，并进行还原反应。本发明能够在常温下进行反应，效率高，而且本发明的二氧化碳反应器构造简单，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及载人航天技术领域，尤其涉及一种用于地外空间的二氧化碳还原装置及二氧化碳还原方法。
背景技术
目前国际空间站上采用的Sabatier方法通过氢气将二氧化碳转化成甲烷和水，再通过电解水装置获得氧气，可以使二氧化碳有效的循环利用起来。但Sabatier反应装置的缺点是：①核心反应装置温度高；②整个反应装置复杂，体积大，质量重，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于地外空间的二氧化碳还原装置及二氧化碳还原方法，解决地外空间二氧化碳难以利用的缺点。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于地外空间的二氧化碳还原装置，包括：用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理的二氧化碳提纯装置，电源装置，液体循环及气体干燥装置，以及分别与所述二氧化碳提纯装置，所述电源装置，所述液体循环及干燥装置相连接的反应器；
所述电源装置用于对所述反应器加电；
所述反应器分别接收所述二氧化碳提纯装置所产生的提纯溶液和所述液体循环及气体干燥装置输出的碱性溶液，并进行还原反应。
根据本发明的一个方面，在所述反应器中，经过还原反应后的所述提纯溶液返回至所述二氧化碳提纯装置，并用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理；
在所述反应器中，经过还原反应所产生的气体和经过还原反应后的所述碱性溶液一同送至所述液体循环及气体干燥装置进行气液分离，其中，所述气体经过干燥后输出，所述碱性溶液循环送至所述反应器进行所述还原反应。
根据本发明的一个方面，所述反应器包括：相对设置的阴极端板和阳极端板，设置在所述阴极端板和所述阳极端板之间的膜电极；
所述膜电极上涂有催化剂；
所述提纯溶液送至所述阴极端板和所述膜电极之间，所述碱性溶液送至所述阳极端板和所述膜电极之间。
根据本发明的一个方面，所述阴极端板与所述膜电极相邻的一侧设置有与所述膜电极相对应的第一通电区域，且在所述第一通电区域上设置有至少一条第一流道；
所述阳极端板与所述膜电极相邻的一侧设置有与所述膜电极相对应的第二通电区域，且在所述第二通电区域上设置有至少一条第二流道。
根据本发明的一个方面，所述阴极端板上设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述阴极端板上除所述第一通电区域之外的其它区域；
所述阳极端板上设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述阳极端板上除所述第二通电区域之外的其它区域。
根据本发明的一个方面，所述膜电极的边缘或相对两侧靠近边缘的位置设置有密封垫。
根据本发明的一个方面，所述二氧化碳提纯装置包括：集气泵，与所述集气泵相连的洗气瓶，液体流量控制器；
所述洗气瓶中盛放有所述提纯溶液；
所述洗气瓶与所述阴极端板相连接，且所述液体流量控制器设置在所述洗气瓶向所述阴极端板输送所述提纯溶液的管路上；
所述洗气瓶上还设置有出气口。
根据本发明的一个方面，所述电源装置包括：太阳能电池板和DC/DC稳压器；
所述DC/DC稳压器的阴极与所述阴极端板相连接，所述DC/DC稳压器的阳极与所述阳极端板相连接。
根据本发明的一个方面，所述液体循环及气体干燥装置包括：用于与所述阳极端板相连接的冷却罐，与所述冷却罐的出气口相连接的干燥器，与所述冷却罐的出液口相连接的储液罐，以及与所述储液罐的出液口和所述阳极端板相连接的液体循环泵。
为实现上述发明目的，本发明提供一种二氧化碳还原方法，包括：
S1.所述二氧化碳提纯装置对环境中含有的二氧化碳的空气进行吸收处理，生成所述提纯溶液；
S2.将所述提纯溶液泵送至所述反应器的阴极端板的第一流道中；
S3.所述液体循环及干燥装置将储液罐中贮存的所述碱性溶液泵送至所述反应器的阳极端板的第二流道中；
S4.所述电源装置对所述阴极端板和所述阳极端板通电，在所述阴极端板、所述反应器的膜电极和所述阳极端板之间进行还原反应；
S5.所述第二流道中产生的气体和所述碱性溶液一同送至所述液体循环及气体干燥装置进行气液分离，其中，所述气体经过干燥后输出，所述碱性溶液循环送至所述反应器进行所述还原反应。
根据本发明的一种方案，本发明能够在常温下进行反应，效率高，而且本发明的二氧化碳反应器构造简单，制造成本低。
根据本发明的一种方案，本发明的整个二氧化碳反应器结构简单、部件少、质量轻。同时，此装置操作方便，集成性高，可满足地外空间中有效的循环利用二氧化碳制备氧气，供人类使用。
根据本发明的一种方案，在地外密闭空间内或星球上，利用太阳能发电，实现废弃的二氧化碳资源再生循环，可大大降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求。可实现人类在其它空间或天体上长期生存和深空往返推进运输能力，支撑可承受、可持续的载人深空探索任务。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的二氧化碳还原装置的结构图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的反应器的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于地外空间的二氧化碳还原装置，包括：用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理的二氧化碳提纯装置1，电源装置2，液体循环及气体干燥装置3，以及分别与二氧化碳提纯装置1，电源装置2，液体循环及干燥装置3相连接的反应器4。在本实施方式中，电源装置2用于对反应器4加电。在本实施方式中，反应器4分别接收二氧化碳提纯装置1所产生的提纯溶液和液体循环及气体干燥装置3输出的碱性溶液，并进行还原反应。在本实施方式中，碱性溶液可采用含有KOH等碱性物质的溶液。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，在反应器4中，经过还原反应后的提纯溶液返回至二氧化碳提纯装置1，并用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理。在本实施方式中，在反应器4中，经过还原反应所产生的气体和经过还原反应后的碱性溶液一同送至液体循环及气体干燥装置3进行气液分离，其中，气体经过干燥后输出，碱性溶液循环送至反应器4进行还原反应。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，反应器4包括：相对设置的阴极端板41和阳极端板42，设置在阴极端板41和阳极端板42之间的膜电极42。在本实施方式中，膜电极42上涂有催化剂；提纯溶液送至阴极端板41和膜电极42之间，碱性溶液送至阳极端板42和膜电极42之间。在本实施方式中，阴极端板41和阳极端板42均采用金属材料制成。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，阴极端板41与膜电极42相邻的一侧设置有与膜电极42相对应的第一通电区域411，且在第一通电区域411上设置有至少一条第一流道412；阳极端板42与膜电极42相邻的一侧设置有与膜电极42相对应的第二通电区域421，且在第二通电区域421上设置有至少一条第二流道422。在本实施方式中，提纯溶液通过管路被送至第一流道412中，碱性溶液通过管路被送至第二流道422中。在本实施方式中，第一流道412、第二流道422均为蛇形通道，其宽度、深度、长度可根据反应器大小调整。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，阴极端板41上设置有绝缘层，绝缘层设置在阴极端板41上除第一通电区域411之外的其它区域。在本实施方式中，该绝缘层可以为氧化层或者其他绝缘材料涂覆在阴极端板41所形成。同样的，阳极端板42上设置有绝缘层，绝缘层设置在阳极端板42上除第二通电区域421之外的其它区域。在本实施方式中，该绝缘层可以为氧化层或者其他绝缘材料涂覆在阳极端板42所形成。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，膜电极42的边缘或相对两侧靠近边缘的位置设置有密封垫。在本实施方式中，该密封垫可以为硅胶材质的密封垫。在本实施方式中，密封垫可通过包裹在膜电极42的边缘，使得密封垫将整个膜电极42的边缘覆盖，这样膜电极42在阴极端板41和阳极端板42之间时，阴极端板41和阳极端板42分别与密封垫相抵靠的同时，密封垫还可对膜电极42的边缘位置进一步密封，使得密封效果更好。而在另一种实施方式中，密封垫只是在膜电极42相对两侧靠近边缘的位置设置并没有完全包裹膜电极42的外边缘，这样阴极端板41和阳极端板42分别与密封垫相抵靠时，在接触位置实现了密封效果，而在密封垫的外边缘可通过其他方式(如，机械结构或涂覆其他材料)实现密封。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，二氧化碳提纯装置1包括：集气泵11，与集气泵11相连的洗气瓶12，液体流量控制器13。在本实施方式中，洗气瓶12中盛放有提纯溶液。同时，洗气瓶12与阴极端板41相连接，且液体流量控制器13设置在洗气瓶12向阴极端板41输送提纯溶液的管路上。在本实施方式中，洗气瓶12上还设置有出气口，通过该出气口可以将被提纯溶液处理过的气体排出。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，电源装置2包括：太阳能电池板21和DC/DC稳压器22。在本实施方式中，DC/DC稳压器22的阴极与阴极端板41相连接，DC/DC稳压器22的阳极与阳极端板42相连接。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，液体循环及气体干燥装置3包括：用于与阳极端板42相连接的冷却罐31，与冷却罐31的出气口相连接的干燥器32，与冷却罐31的出液口相连接的储液罐33，以及与储液罐33的出液口和阳极端板42相连接的液体循环泵34。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种采用前述的二氧化碳还原装置的二氧化碳还原方法，包括：
S1.二氧化碳提纯装置1对环境中含有的二氧化碳的空气进行吸收处理，生成提纯溶液。在本实施方式中，当二氧化碳提纯模块1通电以后，集气泵11收集环境中含有二氧化碳的空气，使气体进入装有提纯溶液的洗气瓶12中，此时二氧化碳溶解在提纯溶液中，其余气体从洗气瓶12的出气口排出。
S2.将提纯溶液泵送至反应器4的阴极端板41的第一流道412中。在本实施方式中，在洗气瓶12中的提纯溶液通过液体流量控制器13送入反应器4的阴极端板41的第一流道412中。
S3.液体循环及干燥装置3将储液罐33中贮存的碱性溶液泵送至反应器4的阳极端板42的第二流道422中。在本实施方式中，液体循环泵34通电工作，将储液罐33中的碱性溶液抽出并送至阳极端板42的第二流道422中。
S4.电源装置2对阴极端板41和阳极端板42通电，在阴极端板41、反应器4的膜电极42和阳极端板42之间进行还原反应；在本实施方式中，当电源装置2中的太阳能电池板21吸收太阳能，并将太阳能转化为电能，随后经过DC/DC稳压器22稳定电压之后，通过导线分别连接在阴极端板41和阳极端板42上。阴极端板41和阳极端板42具有稳定的电压后，第一流道412中的含有二氧化碳的提纯溶液与第二流道422中的碱性溶液在膜电极43催化剂的作用下进行还原反应，其中，在第一流道412中的提纯溶液中产生碳氢化合物，而在第二流道422的碱性溶液中产生氧气。
S5.第二流道422中产生的气体和碱性溶液一同送至液体循环及气体干燥装置3进行气液分离，其中，气体经过干燥后输出，碱性溶液循环送至反应器4进行还原反应。在本实施方式中，第二流道422中产生的气体和碱性溶液一同送至冷却罐31中，氧气从冷却罐31顶部排气孔排出并进入干燥器32中，氧气经过干燥之后处理供人类使用。而碱性溶液经冷却罐31底部回流到储液罐33中循环利用。在本实施方式中，第一流道412经过还原反应并还有碳氢化合物的提纯溶液被送至洗气瓶12中循环利用吸收输入气体中的二氧化碳。
根据本发明的一种方案，在地外空间中，利用太阳能发电，将产生的电能加载在二氧化碳还原反应器上，二氧化碳在催化剂的作用下被还原成碳氢化合物并释放氧气，氧气经过净化处理之后供人类使用。在地外密闭空间内或星球上，利用太阳能发电，实现废弃的二氧化碳资源再生循环，可大大降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求。可实现人类在其它空间或天体上长期生存和深空往返推进运输能力，支撑可承受、可持续的载人深空探索任务。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于地外空间的二氧化碳还原装置，其特征在于，包括：用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理的二氧化碳提纯装置(1)，电源装置(2)，液体循环及气体干燥装置(3)，以及分别与所述二氧化碳提纯装置(1)，所述电源装置(2)，所述液体循环及干燥装置(3)相连接的反应器(4)；
所述电源装置(2)用于对所述反应器(4)加电；
所述反应器(4)分别接收所述二氧化碳提纯装置(1)所产生的提纯溶液和所述液体循环及气体干燥装置(3)输出的碱性溶液，并进行还原反应。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，在所述反应器(4)中，经过还原反应后的所述提纯溶液返回至所述二氧化碳提纯装置(1)，并用于对环境中含有二氧化碳的空气进行吸收处理；
在所述反应器(4)中，经过还原反应所产生的气体和经过还原反应后的所述碱性溶液一同送至所述液体循环及气体干燥装置(3)进行气液分离，其中，所述气体经过干燥后输出，所述碱性溶液循环送至所述反应器(4)进行所述还原反应。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述反应器(4)包括：相对设置的阴极端板(41)和阳极端板(42)，设置在所述阴极端板(41)和所述阳极端板(42)之间的膜电极(42)；
所述膜电极(42)上涂有催化剂；
所述提纯溶液送至所述阴极端板(41)和所述膜电极(42)之间，所述碱性溶液送至所述阳极端板(42)和所述膜电极(42)之间。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述阴极端板(41)与所述膜电极(42)相邻的一侧设置有与所述膜电极(42)相对应的第一通电区域(411)，且在所述第一通电区域(411)上设置有至少一条第一流道(412)；
所述阳极端板(42)与所述膜电极(42)相邻的一侧设置有与所述膜电极(42)相对应的第二通电区域(421)，且在所述第二通电区域(421)上设置有至少一条第二流道(422)。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述阴极端板(41)上设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述阴极端板(41)上除所述第一通电区域(411)之外的其它区域；
所述阳极端板(42)上设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述阳极端板(42)上除所述第二通电区域(421)之外的其它区域。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述膜电极(42)的边缘或相对两侧靠近边缘的位置设置有密封垫。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述二氧化碳提纯装置(1)包括：集气泵(11)，与所述集气泵(11)相连的洗气瓶(12)，液体流量控制器(13)；
所述洗气瓶(12)中盛放有所述提纯溶液；
所述洗气瓶(12)与所述阴极端板(41)相连接，且所述液体流量控制器(13)设置在所述洗气瓶(12)向所述阴极端板(41)输送所述提纯溶液的管路上；
所述洗气瓶(12)上还设置有出气口。
8.根据权利要求5所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述电源装置(2)包括：太阳能电池板(21)和DC/DC稳压器(22)；
所述DC/DC稳压器(22)的阴极与所述阴极端板(41)相连接，所述DC/DC稳压器(22)的阳极与所述阳极端板(42)相连接。
9.根据权利要求1至4任一项所述的二氧化碳还原装置，其特征在于，所述液体循环及气体干燥装置(3)包括：用于与所述阳极端板(42)相连接的冷却罐(31)，与所述冷却罐(31)的出气口相连接的干燥器(32)，与所述冷却罐(31)的出液口相连接的储液罐(33)，以及与所述储液罐(33)的出液口和所述阳极端板(42)相连接的液体循环泵(34)。
10.一种采用权利要求1至9任一项所述的二氧化碳还原装置的二氧化碳还原方法，包括：
S1.所述二氧化碳提纯装置(1)对环境中含有的二氧化碳的空气进行吸收处理，生成所述提纯溶液；
S2.将所述提纯溶液泵送至所述反应器(4)的阴极端板(41)的第一流道(412)中；
S3.所述液体循环及干燥装置(3)将储液罐(33)中贮存的所述碱性溶液泵送至所述反应器(4)的阳极端板(42)的第二流道(422)中；
S4.所述电源装置(2)对所述阴极端板(41)和所述阳极端板(42)通电，在所述阴极端板(41)、所述反应器(4)的膜电极(42)和所述阳极端板(42)之间进行还原反应；
S5.所述第二流道(422)中产生的气体和所述碱性溶液一同送至所述液体循环及气体干燥装置(3)进行气液分离，其中，所述气体经过干燥后输出，所述碱性溶液循环送至所述反应器(4)进行所述还原反应。
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