[发明专利]二氧化碳分解制氧器

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种二氧化碳分解制氧器。

(二)背景技术

在太空飞行时的环境控制生命保障系统中，去除密闭空间的过量的CO₂以及更新空气是一个非常重要的部分。无氧环境空气更新过程中的一个重要步骤是去除CO₂，使室内空气中的CO₂浓度低于某一设定值，并要求提供充足的O₂以保证人员的正常生活和工作。根据生理学的研究，一般规定密闭舱室内CO₂的浓度不得超过1％。

CO₂的去除可采用CO₂吸收剂将CO₂吸收后释放到舱体外部，如美国短期航天飞行采用消耗性的LiOH来吸收空气中的CO₂，前苏联的太空站采用KO₂作为CO₂吸收剂，但非再生式的方法增加了消耗品的质量和体积。为此，美国航空航天局提出了再生式的电化学CO₂去除法和水蒸气脱附的固态胺法，这两种方法是CO₂的浓缩系统，是CO₂分离转化的前置系统，并未将CO₂直接转化为O₂。

目前载人航天器内CO₂转化为O₂通常采用Sabatier过程或Bosch过程后电解水制氧。Sabatier过程是通过CO₂与氢燃烧生成甲烷和氧，系统的反应温度是593℃；Bosch过程也是一个CO₂燃烧系统，产生固体碳和氧，反应温度为704℃。以上转化过程必须前置一套CO₂浓缩系统，因而现有的密闭空间内CO₂浓缩后转化为O₂需要串联两套系统，这导致了重量和体积的增大。

火星大气的95.32％由CO₂组成，因此可充分利用火星上的CO₂为空间工作站提供充足的O₂。本发明是拟用在火星工作站中的CO₂分解制氧器，可一步实现CO₂向O₂和代氢燃料CO的转化。此CO₂分解制氧器的优越性体现在它的工作连续性和低CO₂分压下的低等效重量，同时它还具有高比能量、低工作温度、无污染、长寿命、资源可再生及维护简便等优点，在航空航天领域具有一定的应用潜能。

(三)发明内容

本发明要解决现有制氧器的上述缺点，提供一种适应在低CO₂分压下、低等效重量的二氧化碳分解制氧器。

本发明所述的二氧化碳分解制氧器，由单电池叠堆而成，其特征在于：所述的单电池包括不锈钢电池壳，电池壳的内腔被电解液室分隔为阳极气室和阴极气室，所述的阴极气室设有二氧化碳气体入口和一氧化碳气体出口，所述的阳极气室设有氧气出口；阴极和阳极是多孔性电极，中间有隔膜隔开，其中阳极为Pt/C气体扩散电极，阴极由Au负载在多孔聚四氟乙烯膜上构成，具体结构见附图。电极与电池壳间为气体和电流在电极表面分布的通道；所述的阴极的外露面设置在阴极气室的气体通道上，所述阳极的外露面设置在阳极气室的气体通道上。

进一步，所述的隔膜是阴离子交换膜，属于聚苯乙烯季胺型R-CH₂(CH₃)₃NCl。

本发明可用于在火星工作站上一步分离CO₂并将其转化为O₂和CO的制氧系统，其中CO可作为代氢燃料用于供能。

电化学分解CO₂过程发生在一系列单电池叠堆而成的电化学模件(即CO₂分解制氧器)中，当CO₂流过电池的阴极时被去除，同时在阳极产生O₂。附图是电化学CO₂分解单电池的结构示意图，每个单电池包括两个多孔性电极，其中阳极为Pt/C气体扩散电极，阴极为Au电极(Au负载在多孔聚四氟乙烯膜上)，中间由隔膜隔开，电极与电池壳间为气体和电流在电极表面分布的通道，使用的隔膜是阴离子交换膜。发生的电化学反应如下：

阴极反应：2H₂O+2CO₂+4e→4OH^-+2CO    (1)