水电解和低温液化系统技术方案

在一个方面中，一种系统包括与电解器流体连通的水流；电解器包括阳极和阴极侧室；与电解器的阳极侧室流体连通的深空氧气散热器；低温热交换器，包括与深空氧气散热器流体连通的储氧罐；与阴极侧室流体连通的电化学氢气压缩机；储氢罐，经过已冷却氢气流与电化学氢气压缩机流体连通；其中，已冷却氢气流的至少一部分与膨胀阀和低温热交换器第一流体连通中；其中，储氢罐经过已加热氢气流与电化学氢气压缩机第二流体连通；并且其中低温热交换器与已加热氢气流流体连通。热氢气流流体连通。热氢气流流体连通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水电解和低温液化系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有于2020年3月2日提交的美国临时专利申请序列号No.62/984,293的权益。通过引用将相关申请全部并入本文。

技术介绍

[0003]一个新出现的极为有趣的主题是开发一种能够从水原料中生产液氢和液氧的系统，该系统能够扩展到数十公吨/月，并且在没有人类参与的情况下运行，因为这样的系统可以在月球表面或太空中使用。例如，国家航天委员会最近的言论指示，人类最早可以在2024年返回月球表面。然而，这一倡议的关键要求之一是实现可持续的勘探计划。通过尽可能多地利用当地资源来部分实现可持续性。目前在月球上的原位资源利用(ISRU)的计划主要集中在假设在极地长期被这笔的陨石坑中的水冰上。如果获取和处理这些冰能够，则进一步勘探所需的大部分耗材可以在当地供应，而不是从地球上交付。然后，水及其氧和氢元素可被用于多种空间应用，包括饮用水和冷却水、呼吸氧、燃料电池反应物，并且特别是用于火箭推进剂的液氧和液氢。推进剂的应用是特别有吸引力的，因为推进剂通常占航天器和火箭升空质量的很大一部分，并且液氧和液氢形成了可以实际使用的一种特别好的化学推进剂组合。月球上的液氧和液氢加注站可以实现上升和下降阶段的燃料补充，这是可重复使用的必要能力。
[0004]虽然氢和氧液化器在地球上已经使用了100多年，但月球两极附近的当地环境使得这些系统在太空中的使用不切实际。因此，需要一种能够从水中产生氢气和氧气并将它们液化以在月球表面用作推进剂的系统，其中几乎不需要人类参与。
专利
技术实现思路

[0005]本文公开了水电解和低温液化系统。
[0006]在一方面，一种水电解和低温氢液化系统，包括与电解器的阳极侧室流体连通的水流；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；深空氧气散热器，经过分离的氧气流与电解器的阳极侧室流体连通；低温热交换器，包括经过已冷却氧气流与深空氧气散热器流体连通的储氧罐；电化学氢气压缩机，经过分离的氢气流与阴极侧室流体连通；储氢罐，经过由至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器冷却的已冷却氢气流与电化学氢气压缩机流体连通；其中，冷却氢气流的至少一部分与膨胀阀和定位于膨胀阀下游的低温热交换器第一流体连通；其中，储氢罐经过由至少一个复热式热交换器加热的已加热氢气流与电化学氢气压缩机第二流体连通；并且其中低温热交换器经过已热交换氢气流与已加热氢气流流体连通。
[0007]在另一方面，一种用于电解水并从中低温形成液氧的方法包括将水流引导至电解器的阳极侧室或阴极侧室中的至少一个；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；将分离的氧气流从电解器的阳极侧室引导至深空氧气散热器；将已冷却氧气流从深空氧气散热器引导至低温热交换器的储氧罐；将分
离的氢气流从阴极侧室引导至电化学氢气压缩机；将已冷却氢气流从电化学氢气压缩机引导至储氢罐，并在储氢罐上游的至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器中对已冷却氢气流进行冷却；在膨胀阀中膨胀已冷却氢气流的至少一部分以形成制冷剂氢气流，并将制冷剂氢气流引导至低温热交换器；将已加热氢气流从储氢罐引导至电化学氢气压缩机，并经过至少一个复热式热交换器来对已加热氢气流进行加热；以及将已热交换氢气流从低温热交换器引导至电化学氢气压缩机上游的已加热氢气流。
[0008]以下附图、详细描述和权利要求举例说明了上述和其他特征。
附图说明
[0009]下图是被提供以说明本公开的示例性实施例。
[0010]图1是水电解和低温液化系统的一个方面的图示；以及
[0011]图2是水电解和低温液化系统的电化学部分的一个方面的图示。
具体实施方式
[0012]需要一种可在月球上使用的从水中生产液氧的系统和方法。虽然地球上有许多制氢工艺，但每种工艺在月球上使用都有明显的缺点。例如，蒸汽甲烷重整和煤气化需要碳氢化合物原料。诸如微生物或藻类生物质等生物工艺对于小规模的月球应用来说过于复杂。此外，虽然太阳能直接分解水的工艺似乎很有希望，但技术水平太低，不适合早期的月球任务。
[0013]为了克服这些问题，开发了一种水电解和低温氢液化系统，该系统可以将水电解以形成氧和氢，并使用氢作为制冷剂对氧进行低温液化。具体而言，该系统可包括电解器，以从水中形成氧和氢。氢可以被引导到电化学压缩机，在那里它不仅可以增加氢气流的压力，还可以提供液化氧和氢产品流所需的制冷功率。然后可以配置膨胀阀和热交换器的系统，使氢可被用作制冷剂来液化氧。
[0014]虽然氢压缩有多种选择，包括活塞式和涡轮式机械压缩机、吸附式压缩机和电化学压缩机，但电化学压缩因其简单、可靠、可扩展性和效率而提供许多优势。当前的电化学氢气压缩机可以将电解器中形成的氢和通过系统循环的氢压缩，例如从1巴的压力压缩到100巴的压力。有利的是，这种压缩可以在没有传统机械手段的情况下进行，传统机械手段利用的移动部件可以有噪音、有振动、可以因不当维修和维护而引入污染物，并且效率低下。氢的电化学压缩的比能可以与商用压缩机竞争，其中添加的益处为基本上没有日常维护要求或停机时间。
[0015]与当前系统相比，该系统有几个明显的优点，包括当前系统比机械压缩更安静、更高效，并且其益处是不需要高速涡轮机械、带间隙密封的活塞、润滑或减振技术。电解器和压缩机可以使用直流电，从而减少与太阳能电池的电气集成损耗。这些益处和其他益处的总和将可能导致系统在无需人为干预的情况下长期运行，并减少维护需求。
[0016]除了能够在地球上使用外，该系统的优点是可以在太空中使用，例如，在月球上，使用从月球表面提取的水和/或来自月球基地的光伏阵列的电力。附加地，当地的热环境可被用于预冷推进剂，从而将电力要求降至最低。例如，该系统可以使用新型深空散热器将产品流预冷至低温，以及使用氢作为制冷剂液化氧的焦耳
‑
汤姆孙(JT)液化循环。该系统和方
法具有的益处是可以产生推进剂级的氧和氢，以允许载具从月球表面发射。
[0017]图1是水电解和低温液化系统和方法的图示，该系统和方法使用化学处理从水中产生氢和氧，以及对氧进行低温液化的热力学处理。在系统的化学处理部分中，可将水流8引入电解器10，其中水流8可被分离为分离的氧气流12和可被引导至电化学氢气压缩机40的分离的氢气流16。电化学氢气压缩机40可压缩分离的氢气流16以形成已压缩氢气流42。应当注意的是，电解器10可以根据需要包括一个或多个电解器。同样，电化学氢气压缩机40可以根据需要包括一个或多个电化学压缩机。已压缩氢气流42的温度可以是250到400开尔文(K)，或250到350K。已压缩氢气流42的压力可以大于或等于50巴(bar)，或50到200巴，或100到200巴。
[0018]在系统的热力学处理部分中，使用氢作为制冷剂对氧进行低温液化。这里，分离的氧气流12的一部分可以被引入深空散热器20，在那里通过向周围环境放热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种水电解和低温氢气液化系统，包括：与电解器的阳极侧室流体连通的水流；所述电解器包括所述阳极侧室、阴极侧室以及定位于所述阳极侧室和所述阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；深空氧气散热器，经过分离的氧气流与所述电解器的阳极侧室流体连通；低温热交换器，包括经过已冷却氧气流与所述深空氧气散热器流体连通的储氧罐；电化学氢气压缩机，经过分离的氢气流与所述阴极侧室流体连通；储氢罐，经过由至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器冷却的已冷却氢气流与所述电化学氢气压缩机流体连通；其中，所述已冷却氢气流的至少一部分与膨胀阀和定位于所述膨胀阀下游的低温热交换器第一流体连通；其中，所述储氢罐经过由至少一个复热式热交换器加热的已加热氢气流与所述电化学氢气压缩机第二流体连通；以及其中，所述低温热交换器经过已热交换氢气流与所述已加热氢气流流体连通。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电化学氢气压缩机包括低压室、高压室以及定位于所述低压室和所述高压室之间的压缩机膜和电极组件；其中，所述分离的氢气流与所述低压室流体连通，并且其中所述已冷却氢气流与所述高压室流体连通。3.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，其中，所述膨胀阀为焦耳
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汤姆孙阀。4.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，还包括沿着已冷却氧气流定位于所述储氧罐上游的氧气膨胀阀；其中，所述氧气膨胀阀可选为焦耳
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汤姆孙阀。5.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，还包括沿着已冷却氢气流定位于所述储氢罐上游的储氢膨胀阀；其中，所述储氢膨胀阀可选为焦耳
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汤姆孙阀。6.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，其中，所述至少一个复热式热交换器包括第一复热式热交换器、第二复热式热交换器和第三复热式热交换器；其中，所述第一复热式热交换器经过已压缩氢气流与所述电化学氢气压缩机第一流体连通；其中，所述深空氢气散热器经过第一降温氢气流与所述第一复热式热交换器第一流体连通；其中，所述第二复热式热交换器经过散热器冷却氢气流与所述深空氢气散热器第一流体连通；并且其中，所述第三复热式热交换器经过进一步降温氢气流与所述第二复热式热交换器第一流体连通；其中，所述储氢罐经过最终降温氢气流与所述第三复热式热交换器第一流体连通；以及其中，所述已冷却氢气流包括所述已压缩氢气流、所述第一降温氢气流、所述散热器冷却氢气流、所述进一步降温氢气流和所述最终降温氢气流。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述已加热氢气流包括氢循环流、第一加热氢气流、第二加热氢气流和第三加热氢气流；其中，所述储氢罐经过所述氢循环流与所述第三复热式热交换器第二流体连通；
其中，所述第三复热式热交换器经过所述第一加热氢气流与所述第二复热式热交换器第二流体连通；其中，所述第二复热式热交换器经过所述第二加热氢气流与所述第一复热式热交换器第二流体连通；并且其中，所述第一复热式热交换器经过所述第三加热氢气流与所述电化学氢气压缩机第二流体连通。8.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，还包括沿着所述分离的氧气流定位于所述深空氧气散热器上游的干燥器。9.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，还包括与所述至少一个复热式热交换器或所述电解器、以及还与所述电化学氢气压缩机流体连通的催化反应器。10.根据上述任何一项或多项权利要求所述的系统，其中，所述低温热交换器是壳管式热交换器。11.一种用于电解水并从中低温形成液氧的方法，包括：将水流引导至电解器的阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：特伦特，
申请(专利权)人：埃塔航天有限责任公司，
类型：发明
国别省市：