專利名稱：二氧化碳分解制氧器的制作方法
二氧化碳分解制氧器
(一) 技術領域 本發(fā)明涉及一種二氧化碳分解制氧器。
(二)
背景技術：
在太空飛行時的環(huán)境控制生命保障系統(tǒng)中，去除密閉空間的過量的
co2以及更新空氣是一個非常重要的部分。無氧環(huán)境空氣更新過程中的一 個重要步驟是去除C02，使室內(nèi)空氣中的C(U農(nóng)度低于某一設定值，并要 求提供充足的02以保證人員的正常生活和工作。根據(jù)生理學的研究，一 般規(guī)定密閉艙室內(nèi)C02的濃度不得超過1°%。
C02的去除可采用C02吸收劑將C02吸收后釋放到艙體外部，如美國短 期航天飛行釆用消耗性的LiOH來吸收空氣中的C02，前蘇聯(lián)的太空站采用 K02作為C02吸收劑，但非再生式的方法增加了消耗品的質(zhì)量和體積。為此， 美國航空航天局提出了再生式的電化學C02去除法和水蒸氣脫附的固態(tài)胺 法，這兩種方法是C02的濃縮系統(tǒng)，是C02分離轉(zhuǎn)化的前置系統(tǒng)，并未將 C02直接轉(zhuǎn)化為02。
目前載人航天器內(nèi)C02轉(zhuǎn)化為02通常采用Sabatier過程或Bosch過 程后電解水制氧。Sabatier過程是通過C02與氫燃燒生成甲垸和氧，系統(tǒng) 的反應溫度是593 。C; Bosch過程也是一個C02燃燒系統(tǒng)，產(chǎn)生固體碳和 氧，反應溫度為704。C。以上轉(zhuǎn)化過程必須前置一套C02濃縮系統(tǒng)，因而 現(xiàn)有的密閉空間內(nèi)C02濃縮后轉(zhuǎn)化為02需要串聯(lián)兩套系統(tǒng)，這導致了重量 和體積的增大。
火星大氣的95. 32%由C02組成，因此可充分利用火星上的C02為空間工作站提供充足的02。本發(fā)明是擬用在火星工作站中的C02分解制氧器，
可一步實現(xiàn)C02向02和代氫燃料CO的轉(zhuǎn)化。此C02分解制氧器的優(yōu)越性體 現(xiàn)在它的工作連續(xù)性和低C02分壓下的低等效重量，同時它還具有高比能
量、低工作溫度、無污染、長壽命、資源可再生及維護簡便等優(yōu)點，在航 空航天領域具有一定的應用潛能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有制氧器的上述缺點，提供一種適應在低co2分壓下、
低等效重量的二氧化碳分解制氧器。
本發(fā)明所述的二氧化碳分解制氧器，由單電池疊堆而成，其特征在于
所述的單電池包括不銹鋼電池殼，電池殼的內(nèi)腔被電解液室分隔為陽極氣 室和陰極氣室，所述的陰極氣室設有二氧化碳氣體入口和一氧化碳氣體出
口，所述的陽極氣室設有氧氣出口；陰極和陽極是多孔性電極，中間有隔 膜隔開，其中陽極為Pt/C氣體擴散電極，陰極由Au負載在多孔聚四氟乙 烯膜上構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見附圖。電極與電池殼間為氣體和電流在電極表面 分布的通道；所述的陰極的外露面設置在陰極氣室的氣體通道上，所述陽 極的外露面設置在陽極氣室的氣體通道上。
進一步，所述的隔膜是陰離子交換膜，屬于聚苯乙烯季胺型 R-CH2 (CH3) 3NC1 。
本發(fā)明可用于在火星工作站上一步分離C02并將其轉(zhuǎn)化為02和C0的 制氧系統(tǒng)，其中CO可作為代氫燃料用于供能。
電化學分解C02過程發(fā)生在一系列單電池疊堆而成的電化學模件(即 C02分解制氧器)中，當C02流過電池的陰極時被去除，同時在陽極產(chǎn)生 02。附圖是電化學C02分解單電池的結(jié)構(gòu)示意圖，每個單電池包括兩個多 孔性電極，其中陽極為Pt/C氣體擴散電極，陰極為Au電極(Au負載在
4多孔聚四氟乙烯膜上)，中間由隔膜隔開，電極與電池殼間為氣體和電流 在電極表面分布的通道，使用的隔膜是陰離子交換膜。發(fā)生的電化學反應 如下
陰極反應2H20 + 2C02 + 4e — 40H_ + 2C0 (1) 陽極反應40H— — 2H20 + 02 + 4e (2) 總反應 2C02 — 2C0 + 02 (3)
C02氣體被引入到陰極氣室，在此C02和H20發(fā)生電化學反應生成OH—， 同時從陰極氣室釋放出C0。 OH—通過中間的陰離子交換膜進入陽極氣室， 在陽極上發(fā)生電化學反應生成02并從陽極氣室釋放出。
特別適合充分利用火星上的〔02資源
本發(fā)明所述的C02分解制氧器的有益效果主要體現(xiàn)在適應低C02分 壓下制氧，反應易于控制，維護方便； 一步就將C02分解生成C0和02， 具有低等效重量和體積??；無污染，資源可再生利用。
(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一歩描述，但本發(fā)明的保護范圍
并不僅限于此
本發(fā)明所述的二氧化碳分解制氧器，由單電池疊堆而成，所述的單電 池包括不銹鋼電池殼，電池殼的內(nèi)腔被電解液室分隔為陽極氣室和陰極氣 室，所述的陰極氣室設有二氧化碳氣體入口和一氧化碳氣體出口，所述的 陽極氣室設有氧氣出口；陰極和陽極是多孔性電極，中間有隔膜隔開，其 中陽極為Pt/C氣體擴散電極，陰極由Au負載在多孔聚四氟乙烯膜上構(gòu)成，
電極與電池殼間為氣體和電流在電極表面分布的通道;所述的陰極的外露面設置在陰極氣室的氣體通道上，所述陽極的外露面設置在陽極氣室的氣 體通道上。
所述的隔膜是陰離子交換膜，屬于聚苯乙烯季胺型R_CH2(CH3)3NC1。
本發(fā)明的工作原理如下采用單電池考察用電化學法分解C02產(chǎn)生CO 和02的可行性。將密封的單電池于0 。C中保持恒溫反應。C02由鋼瓶提供， 純度為99.99%，通過節(jié)流閥和流量計控制，流量為30 ml/min;產(chǎn)生的 CO和02由在線氣體檢測儀VA — 3000型多功能氣體分析儀檢測，電源電 流及電壓由M273A型電化學分析儀測定。隔膜采用特一級石棉膜，電解液 為含有0. 1 M KOH的甲醇溶液。陰極是將純度為99. 9%的Au粉機械沉積 在多孔聚四氟乙烯膜上，然后在300 。C下燒結(jié)1 h，規(guī)格為10 cm X 10 cm;采用Pt/C氣體擴散電極為陽極，其制備方法如下將10.0 mg/mL 的350—400 mL氯鉑酸水溶液在40 。C水浴溫度下預熱2 h，然后在不斷 攪拌過程中迅速加入水合肼還原劑(濃度為5% —10%)，待溶液顏色由 桔黃色轉(zhuǎn)為黑色后立即添加活性炭，繼續(xù)攪拌lh左右后靜置，分離沉淀 并加以洗滌，90 。C烘干后待用，載鉑量為8mg/cm2。添加的活性炭要先 進行氧化處理，即用40%的HN03于60 。C處理活性炭約3 h。將上述Pt/C 粉與聚四氟乙烯(含量為20% —30%)乳液調(diào)成團狀，在輥壓機上滾壓 成O. 45腿厚的面積為100 cm2 (10 cm X 10 cm)的Pt/C膜。
反應溫度為0 。C、電流密度為2.6 mA/cm2時，以30 ml/min的流量 (即3. 54 g/h)通入C02氣體，30 min內(nèi)測得生成的CO總量為0. 035 g、 02總量為0.020 g。
綜上所述，本發(fā)明火星工作站中C02分解制氧器能利用火星上豐富的 C02資源將其一步轉(zhuǎn)化為02和CO。通過單電池實驗考察了此C02分解制氧 器的可行性，結(jié)果表明，以Au粉機械沉積在多孔聚四氟乙烯膜上為陰極，
6以Pt/C氣體擴散電極為陽極，以含有O. 1MK0H的甲醇溶液為電解液，0 。C、電流密度為2. 6 mA/cm2時，通入3. 54 g/h的C02氣體，30 min內(nèi)測 得生成的CO總量為0.035 g、 02總量為0.020 g。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所述的C02分解制氧器能充分利用火星上的 C02資源，具有反應易于控制、維護方便、 一步將C02分解生成C0和02、 低等效重量和體積、無污染、資源可再生利用等優(yōu)點，在航天航空領域具 有十分重大的應用前景。
本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本 發(fā)明的保護范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明 的保護范圍也及于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技 術手段。
權利要求
1、二氧化碳分解制氧器，由單電池疊堆而成，其特征在于所述的單電池包括不銹鋼電池殼，電池殼的內(nèi)腔被電解液室分隔為陽極氣室和陰極氣室，所述的陰極氣室設有二氧化碳氣體入口和一氧化碳氣體出口，所述的陽極氣室設有氧氣出口；陰極和陽極是多孔性電極，中間有隔膜隔開，其中陽極為Pt/C氣體擴散電極，陰極由Au負載在多孔聚四氟乙烯膜上構(gòu)成，電極與電池殼間為氣體和電流在電極表面分布的通道；所述的陰極的外露面設置在陰極氣室的氣體通道上，所述陽極的外露面設置在陽極氣室的氣體通道上。
2、 如權利要求1所述的二氧化碳分解制氧器，其特征在于所述 的隔膜是陰離子交換膜。
全文摘要
本發(fā)明所述的二氧化碳分解制氧器，由單電池疊堆而成，所述的單電池包括不銹鋼電池殼，電池殼的內(nèi)腔被電解液室分隔為陽極氣室和陰極氣室，所述的陰極氣室設有二氧化碳氣體入口和一氧化碳氣體出口，所述的陽極氣室設有氧氣出口；陰極和陽極是多孔性電極，中間有隔膜隔開，其中陽極為Pt/C氣體擴散電極，陰極由Au負載在多孔聚四氟乙烯膜上構(gòu)成，電極與電池殼間為氣體和電流在電極表面分布的通道；所述的陰極的外露面設置在陰極氣室的氣體通道上，所述陽極的外露面設置在陽極氣室的氣體通道上。具有低等效重量和體積小的優(yōu)點。
文檔編號C25B1/02GK101649464SQ200810120299
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權日2008年8月11日
發(fā)明者何志橋, 劉智武, 爽 宋, 徐樂瑾, 裘建平 申請人:浙江工業(yè)大學