CN116103685A - 基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统及其运行方法，属于封闭空间气体再生技术领域；所述基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统具体包括：二氧化碳低压气罐、二氧化碳高压气罐、二氧化碳电解器、第一二氧化碳吸附装置、二氧化碳含量检测器、燃料储存罐、第二二氧化碳吸附装置、气体含量检测器和氧气储存罐。本发明提供的系统，通过二氧化碳电解实现了氧气、水和二氧化碳的高效循环利用，能够缩短物质循环链；其中，仅通过一级反应器即可实现二氧化碳向氧气与燃料的转换，且反应器均在常温常压下进行，反应温和可控且安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于封闭空间气体再生技术领域，特别涉及一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统及其运行方法。
背景技术
在诸如宇宙空间站、潜艇等封闭空间中，气体再生系统为其生命保障系统的重要分支，是保障内部人员长期健康生存的关键，亦是系统物质循环的重要组成部分。现阶段气体再生系统主要功能包括：提供适量氧气浓度并去除过量二氧化碳、监控并去除微小污染物含量以及实现物质循环等；其中，氧气的供应主要依赖两种形式，一是外部输送，通过外部定期补给，输送新鲜氧气；二是通过电解循环水制造可呼吸的氧气；二氧化碳的处理主要有两种形式，一是吸附封闭空间气体中的二氧化碳后，直接排出；二是促使二氧化碳与氢气在高温高压环境下反应，生成碳氢燃料与水；水的供应主要依赖外部供应以及内部的收集与循环。
脱离外界物料供给的前提下，提供长期稳定的生命保障是封闭空间生命保障系统的主要目的；其中，系统精简程度与物质或元素的循环率是关键指标。二氧化碳的直接排出会导致封闭空间物质循环的缺失，一部分氧、碳元素被排出，物质循环率下降，无法形成碳、氧、水的有效循环，从而需要更多的外界有机物、氧或水的供给。
目前，以氢气与二氧化碳的反应为基础形成的碳氢循环，在一定程度上实现了元素或物质的循环，其中氧的循环链为：
此方案面临着循环链较长的问题，导致了气体再生系统较为复杂；其中，除水电解器外，还需二氧化碳加氢的高温高压反应器及其控制系统，难以满足封闭空间对系统精简性的要求；另外，二氧化碳与氢气需要在高温高压环境反应，增加了系统的能耗与危险性；再有，氢气储存成本较高，储存效率较低。
鉴于现有的二氧化碳电解技术或系统均为开放空间，无气体再生与循环以及系统精简性的要求，存在反应器结构松散，体积利用率不高，二氧化碳转化率、循环率低的问题；另外，二氧化碳电解技术对反应气纯度要求较高，难以直接应用于封闭空间。
综上所述，亟需一种新的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统及其运行方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统及其运行方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的系统，通过二氧化碳电解实现了氧气、水和二氧化碳的高效循环利用，能够缩短物质循环链；其中，仅通过一级反应器即可实现二氧化碳向氧气与燃料的转换，且反应器均在常温常压下进行，反应温和可控且安全可靠。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，包括：二氧化碳低压气罐、二氧化碳高压气罐、二氧化碳电解器、第一二氧化碳吸附装置、二氧化碳含量检测器、燃料储存罐、第二二氧化碳吸附装置、气体含量检测器和氧气储存罐；
所述二氧化碳低压气罐的输入口经第三开关阀与所述第一二氧化碳吸附装置的第一输出口，经第四开关阀与所述第二二氧化碳吸附装置的第一输出口相连通，用于促使二氧化碳脱附；
所述二氧化碳低压气罐的输出口经输送装置与所述二氧化碳高压气罐的输入口相连通，所述二氧化碳高压气罐的输出口与所述二氧化碳电解器的输入口相连通；
所述二氧化碳电解器的阳极气体出口与所述氧气储存罐的输入口相连通，阴极气体出口经第五开关阀与所述第一二氧化碳吸附装置的输入口相连通；所述氧气储存罐的输出口用于经第二开关阀向封闭空间输送氧气；所述第一二氧化碳吸附装置的第二输出口经第三开关阀与所述二氧化碳低压气罐的输入口相连通；
所述第二二氧化碳吸附装置的输入口用于输入封闭空间气体以吸附封闭空间气体中过量二氧化碳，第二输出口经第二开关阀与封闭空间气体环境相通，用于输出吸附过量二氧化碳后的气体；
所述二氧化碳含量检测器设置于所述第一二氧化碳吸附装置与所述燃料储存罐之间的连通管道上；
所述气体含量检测器设置于所述第二开关阀的出口处，用于检测输出至封闭空间的气体的各成分含量。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳高压气罐的输出口与所述二氧化碳电解器的输入口相连通具体为，
所述二氧化碳高压气罐的输出口经减压阀、加湿器与所述二氧化碳电解器的输入口相连通。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳低压气罐与所述二氧化碳高压气罐之间的输送装置为真空泵。
本发明的进一步改进在于，所述第二二氧化碳吸附装置的输入口处设置有微量污染物去除装置。
本发明的进一步改进在于，所述第一二氧化碳吸附装置和所述第二二氧化碳吸附装置中，吸附材料为分子筛或金属-有机框架材料。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳低压气罐的额定压力为0.03atm～0.1atm。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳电解器包括多个薄膜电解池；
所述薄膜电解池包括双极板、阳极、阳离子交换膜、阴极和密封件；其中，阳极包括气体扩散层和催化层组成；阳极及其流道介质为二氧化碳气体，阴极及其流道内介质为碱性溶液；
二氧化碳电解器的阴阳极反应为，
xCO2+ne-+(y+n)/2H2O→CxHyOz+nOH-；
nOH--ne-→n/4O2+n/2H2O。
本发明的进一步改进在于，
所述催化层负载的催化剂为Fe、Co、Ni、Cu基单金属或多金属催化剂，催化产物为碳氢燃料；
气体扩散层为孔隙率在70％～90％之间且疏水的碳纸，厚度为210μm～500μm；
阳极为铂、钌或铟基多孔金属泡沫。
本发明的进一步改进在于，所述双极板为碳、钛或铝板，两侧均刻蚀流道。
本发明提供的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统的运行方法，包括以下步骤：
正常运行状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀为开启状态，第三开关阀、第四开关阀以及输送装置为关闭状态；所述二氧化碳高压气罐中的二氧化碳在所述二氧化碳电解器中与水反应，电解生成碳氢燃料与氧气，碳氢燃料储存在燃料储存罐，氧气经由氧气储存罐储存或供给封闭空间氧气消耗；
当所述二氧化碳含量检测器或所述气体含量检测器中二氧化碳含量超过预设额定值时，启动脱附状态；
脱附状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀、二氧化碳电解器关闭，第三开关阀、第四开关阀与输送装置打开，通过低压环境促进二氧化碳脱附；达到预设条件时脱附状态结束，转换为正常运行状态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的系统，通过常温常压下的二氧化碳电解实现了氧气、水和二氧化碳的高效循环利用，缩短了物质循环链；系统整体结构精简，仅通过一级反应器即可实现二氧化碳向氧气与燃料的转换，且反应器均在常温常压下进行，反应温和可控，安全可靠；电解器反应后的气体通过吸附装置实现碳氢燃料的提纯，吸附装置实现二氧化碳的脱附，既实现了反应气的再生与循环，亦保障了反应气的纯度，确保二氧化碳的高效反应，可为航空航天器以及潜艇等封闭空间提供稳定可靠的气体再生。本发明中，气体再生系统中二氧化碳电解的部分能量将以碳氢燃料的形式被储存和使用，促进了封闭空间有机物以及能源的循环利用。
本发明中，对二氧化碳电解器本体进行了精简化设计，并对电解器反应气再生以及反应产物的分离进行了针对性设计；其中，通过双极板两面刻蚀流道，实现了二氧化碳电解器中双极板与流场板的一体化，提升了电解器的体积利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
图1是根据本发明一个实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间空气再生系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间空气再生系统的电解池结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间空气再生系统的电解池流道结构示意图；
图中，1、二氧化碳低压气罐；2、二氧化碳高压气罐；3、二氧化碳电解器；4、第一二氧化碳吸附装置；5、二氧化碳含量检测器；6、燃料储存罐；7、微量污染物去除装置；8、第二二氧化碳吸附装置；9、气体含量检测器；10、氧气储存罐；
2-1、气体扩散层；2-2、催化层；2-3、阳离子交换膜；2-4、阳极；2-5、双极板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于二氧化碳电解的封闭空间空气再生系统，包括电解模块和气体供给模块；
其中，封闭空间空气再生系统中的电解模块包括：
二氧化碳低压气罐1，其输入端用于连连通两模块内分别设置的第一二氧化碳吸附装置4和第二二氧化碳吸附装置8，以真空环境促使其内分子筛二氧化碳的脱附；
二氧化碳高压气罐2，其入口与二氧化碳低压气罐1的输出端以真空泵等输送装置相连，储存由分子筛脱附而得的二氧化碳；其出口可通过减压阀和加湿器与二氧化碳电解器3相连，实现二氧化碳电解器3内稳定、持续的湿润二氧化碳供给；
二氧化碳电解器3，用于基于系统电能在常温常压下电解二氧化碳，其阳极气体出口与氧气储存罐10相连，阴极气体出口通过第五开关阀与第一二氧化碳吸附装置4相连；
第一二氧化碳吸附装置4，用以吸附二氧化碳电解器3阴极气体出口中的二氧化碳，第一二氧化碳吸附装置4的第一出口通过第一开关阀与燃料储存罐6相连，第二出口通过第三开关阀与二氧化碳低压气罐1。
本发明实施例的方案中还包括二氧化碳含量检测器5，位于燃料储存罐6与第一二氧化碳吸附装置4之间，用以检测吸附后气体中二氧化碳含量；燃料储存罐6，用以储存二氧化碳电解并提纯后的碳氢燃料。
本发明实施例中，封闭空间空气再生系统中的气体供给模块包括：
微量污染物去除装置7，入口与封闭空间的气体环境相连，用以监控并去除封闭空间气体中微量的有害气体，微生物等，出口通过第六开关阀与二氧化碳吸附装置相连；
第二二氧化碳吸附装置8，用以吸附封闭空间过量二氧化碳，第二出口通过第二开关阀与封闭空间气体环境相通，第一出口通过第四开关阀与二氧化碳低压气罐1相连。
本发明实施例的方案中还包括气体含量检测器9，监测净化后气体内各成分含量；氧气储存罐10，用以储存电解二氧化碳阳极产生的高纯氧气，并实现封闭空间稳定的氧气供给。
本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比，通过二氧化碳电解池在转化二氧化碳的同时提供高纯氧气，并将一部分剩余电能储存于燃料中，通过燃料的使用实现了碳、氢、氧元素的循环，提高了封闭空间空气再生系统的循环效率，安全性与可靠性。系统精简，可广泛应用于空间站和潜艇等封闭空间生命维护领域。在空间站上，可利用优越的真空资源实现系统器件的进一步精简，而在潜艇等水下作业装置中，可利用丰富水资源实现二氧化碳的转化利用。
本发明实施例提供的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统运行方法，包括正常运行状态与脱附状态；
正常运行状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀为开启状态，第三开关阀、第四开关阀以及真空泵为关闭状态；二氧化碳高压气罐2中的二氧化碳在电解器中与水反应，被电解生成碳氢燃料与氧气，碳氢燃料储存在燃料储存罐6，氧气经由氧气储存罐10储存或供给封闭空间氧气消耗。
当二氧化碳含量检测器5或气体含量检测器9中二氧化碳含量超过额定值，即二氧化碳吸附装置接近饱和时，启动脱附状态；脱附状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀、二氧化碳电解器3关闭，第三开关阀、第四开关阀与真空泵打开，通过低压环境促进二氧化碳脱附；当二氧化碳脱附装置内压力与二氧化碳低压气罐1压力达到平衡，相差小于额定值时，脱附状态结束，转换为正常运行状态。
在本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，二氧化碳电解器3由多个薄膜电解池贴合而成，单一电解池由双极板2-5、阳极2-4、阳离子交换膜2-3、阴极及其密封部件组成；阳极2-4由气体扩散层2-1和催化层2-2组成；阳极2-4及其流道介质为二氧化碳气体，阴极及其流道内介质为KOH，NaOH等碱性溶液，阴极溶液循环使用；
电解器阴阳极反应如下：
xCO2+ne-+(y+n)/2H2O→CxHyOz+nOH-；
nOH--ne-→n/4O2+n/2H2O。
本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，催化层2-2负载的催化剂为Fe、Co、Ni、Cu基单金属或多金属催化剂，催化产物为一氧化碳、甲烷、乙烯等碳氢燃料。
本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，气体扩散层2-1为孔隙率在70％～90％之间，疏水的碳纸，其厚度为210μm～500μm。
本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，阳极2-4为铂、钌或铟基多孔金属泡沫。
本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，双极板2-5为碳、钛或铝板，其两侧均刻蚀流道，除提供电子传递外，还为了气液流动提供了通道。流道可为蛇形或其他形状。
本发明实施例的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，二氧化碳吸附装置中吸附材料可为分子筛或金属-有机框架材料。在基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，二氧化碳低压气罐的额定压力为0.03atm～0.1atm。在基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，气体检测器中二氧化碳的额定值为500ppm～700ppm。在基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统中，二氧化碳电解器的电力供给为直流电，电压为2.5V～4V，电流密度为200mA/cm2～400mA/cm2。
本发明实施例提供的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统在保障封闭空间气体持续稳定净化与供给的同时，实现了碳、氢、氧元素的短链循环，其元素的循环链如下：
相较于现有技术，本发明通过常温常压下的二氧化碳电解实现了氧气、水和二氧化碳的高效循环利用，缩短了物质循环链。系统整体结构精简，仅通过一级反应器即可实现二氧化碳向氧气与燃料的转换，且反应器均在常温常压下进行，反应温和可控，安全可靠。此外，对二氧化碳电解器本体进行了精简化设计，并对电解器反应气再生以及反应产物的分离进行了针对性设计，通过双极板两面刻蚀流道，实现了二氧化碳电解器中双极板与流场板的一体化，提升了电解器的体积利用率。气体再生系统中二氧化碳电解的部分能量将以碳氢燃料的形式被储存和使用，促进了封闭空间有机物以及能源的循环利用。电解器反应后的气体通过吸附装置，实现碳氢燃料的提纯，而吸附装置借助太空真空环境或真空泵实现二氧化碳的脱附，既实现了反应气的再生与循环，亦保障了反应气的纯度，确保二氧化碳的高效反应。可为航空航天器以及潜艇等封闭空间提供稳定可靠的气体再生。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，包括：二氧化碳低压气罐(1)、二氧化碳高压气罐(2)、二氧化碳电解器(3)、第一二氧化碳吸附装置(4)、二氧化碳含量检测器(5)、燃料储存罐(6)、第二二氧化碳吸附装置(8)、气体含量检测器(9)和氧气储存罐(10)；
所述二氧化碳低压气罐(1)的输入口经第三开关阀与所述第一二氧化碳吸附装置(4)的第一输出口，经第四开关阀与所述第二二氧化碳吸附装置(8)的第一输出口相连通，用于促使二氧化碳脱附；
所述二氧化碳低压气罐(1)的输出口经输送装置与所述二氧化碳高压气罐(2)的输入口相连通，所述二氧化碳高压气罐(2)的输出口与所述二氧化碳电解器(3)的输入口相连通；
所述二氧化碳电解器(3)的阳极气体出口与所述氧气储存罐(10)的输入口相连通，阴极气体出口经第五开关阀与所述第一二氧化碳吸附装置(4)的输入口相连通；所述氧气储存罐(10)的输出口用于经第二开关阀向封闭空间输送氧气；所述第一二氧化碳吸附装置(4)的第二输出口经第三开关阀与所述二氧化碳低压气罐(1)的输入口相连通；
所述第二二氧化碳吸附装置(8)的输入口用于输入封闭空间气体以吸附封闭空间气体中过量二氧化碳，第二输出口经第二开关阀与封闭空间气体环境相通，用于输出吸附过量二氧化碳后的气体；
所述二氧化碳含量检测器(5)设置于所述第一二氧化碳吸附装置(4)与所述燃料储存罐(6)之间的连通管道上；
所述气体含量检测器(9)设置于所述第二开关阀的出口处，用于检测输出至封闭空间的气体的各成分含量。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述二氧化碳高压气罐(2)的输出口与所述二氧化碳电解器(3)的输入口相连通具体为，
所述二氧化碳高压气罐(2)的输出口经减压阀、加湿器与所述二氧化碳电解器(3)的输入口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述二氧化碳低压气罐(1)与所述二氧化碳高压气罐(2)之间的输送装置为真空泵。
4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述第二二氧化碳吸附装置(8)的输入口处设置有微量污染物去除装置(7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述第一二氧化碳吸附装置(4)和所述第二二氧化碳吸附装置(8)中，吸附材料为分子筛或金属-有机框架材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述二氧化碳低压气罐(1)的额定压力为0.03atm～0.1atm。
7.根据权利要求1所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述二氧化碳电解器(3)包括多个薄膜电解池；
所述薄膜电解池包括双极板(2-5)、阳极(2-4)、阳离子交换膜(2-3)、阴极和密封件；其中，阳极(2-4)包括气体扩散层(2-1)和催化层(2-2)组成；阳极(2-4)及其流道介质为二氧化碳气体，阴极及其流道内介质为碱性溶液；
二氧化碳电解器(3)的阴阳极反应为，
xCO2+ne-+(y+n)/2H2O→CxHyOz+nOH-；
nOH--ne-→n/4O2+n/2H2O。
8.根据权利要求7所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，
所述催化层(2-2)负载的催化剂为Fe、Co、Ni、Cu基单金属或多金属催化剂，催化产物为碳氢燃料；
气体扩散层(2-1)为孔隙率在70％～90％之间且疏水的碳纸，厚度为210μm～500μm；
阳极(2-4)为铂、钌或铟基多孔金属泡沫。
9.根据权利要求7所述的一种基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统，其特征在于，所述双极板(2-5)为碳、钛或铝板，两侧均刻蚀流道。
10.一种权利要求1所述的基于二氧化碳电解的封闭空间气体再生系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
正常运行状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀为开启状态，第三开关阀、第四开关阀以及输送装置为关闭状态；所述二氧化碳高压气罐(2)中的二氧化碳在所述二氧化碳电解器(3)中与水反应，电解生成碳氢燃料与氧气，碳氢燃料储存在燃料储存罐(6)，氧气经由氧气储存罐(10)储存或供给封闭空间氧气消耗；
当所述二氧化碳含量检测器(5)或所述气体含量检测器(9)中二氧化碳含量超过预设额定值时，启动脱附状态；
脱附状态时，第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀、第六开关阀、二氧化碳电解器(3)关闭，第三开关阀、第四开关阀与输送装置打开，通过低压环境促进二氧化碳脱附；达到预设条件时脱附状态结束，转换为正常运行状态。
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