[科普中国]-电解制氧技术

电解制氧技术是指利用水电解法制取氧气和氢气的技术。电解制氧技术构成再生式生命保障系统氧循环回路的闭合，电解产生的氧气供给航天员呼吸，氢气回输到二氧化碳还原系统。

简介电解制氧技术是指利用水电解法制取氧气和氢气的技术。电解制氧技术构成再生式生命保障系统氧循环回路的闭合，电解产生的氧气供给航天员呼吸，氢气回输到二氧化碳还原系统1。

空间用水电解制氧技术分类空间用水电解制氧技术有两种基本类型: 一类是固体聚合物电解技术；另一类是传统的碱性电解质制氧技术，有流动电解质和固定保持电解质技术之分。固体聚合物电解技术系统的电解质是一种全氟磺酸类的离子交换膜，其原度仅为0.3 mm左右，此种材料的水饱和态是一种良好的离子导体，是进行水电解的唯一电解质，没有碱性或酸性溶液。

结构模型系统的基本构型是在膜的两边制成电极，电极制作有化学镀、零极距和热压法。水合氡离子通过固体聚合物电解膜从阳极向阴极迁移，维持聚合物中的酸浓度，以便多于电解反应的水需求量的水通过电解电池组循环流动，散掉电解过程中产生的废热。氧和氛的产量可根据舱内氧分压的变化进行调节。

空间站电解氧技术随着航天技术的迅速发展，人类实现了在太空遨游的梦想，并建造了人能长期在太空中生活与工作的空间站，已创造了航天员留空438天的纪录。随着人类在太空活动规模的扩大,人类在太空生活需要消耗的也越来越多，尤其是氧气。如果只靠地面补给，将制约载人航天的发展，因而需要发展再生式生命保障系统，而电解制氧技术就是这一系统的主要内容1。

电解制氧技术在空间站的应用情况俄罗斯研制的流动碱性电解制氧系统从1986年作为实验件开始在“和平”号空间站上运行，1989年开始作为装站设备为航天员供氧。为了防止电解产物引起的爆炸及火灾，同时防止腐蚀性电解液泄漏引起的危害,电解制氧装置的电解池、冷凝器、水/气分离器以及控制、监测部分置于一个充氮容器中，通过监测容器中的相关参数来控制电解制氧系统的运行。系统总重量为155kg，在正常工作时，电解电流为30A时，电压不超过26.5V，总功耗为850W·h。系统最大承受电流不超过70A,最大产氧速率为160L/h,最大功率为1500w.h。

我国空间站电解制氧技术研究进展我国从20世纪90年代中期起开展了空间站电解制氧关键技术预先研究，已走过了十几年的发展历程。2006年顺利完成了为3人乘组连续供氧的62d系统整合验证试验D-8。

2006年TG4目标飞行器电解制氧装置任务启动后进行缩比状态的飞行实验，重点解决并验证空间微重力环境下系统工作原理流程、供水和水气分离、两相流管理等关键技术。2012 年电解制氧装置顺利完成了在轨飞行试验。

随着我国载人空间站工程的正式启动，现正在TGH电解制氧装置研制的基础上开展空间站电解制氧系统技术攻关和工程研制，重点解决系统规模放大、系统长期连续运行的长寿命、可靠性等相关的技术攻关并实现工程应用。

另外，针对再生式燃料电池能源系统和核潜艇供氧系统的应用背景，我国第一台产氢量6Nm³以上、压力5MPa的中型质子交换膜水电解器和第一台高压质子交换膜水电解制氧装置工程样机(产氧量3 Nm³以上，工作压力为5 MPa)已研制成功。

静态供水电解系统静态供水电解系统由4部分组成，冷却剂控制组件、3个流体压力控制器、流体控制组件以及电解室。

冷却剂控制组件以恒定的可调流量向电解室供应温度可调节的水。旁路和液/液热交换器之间的水的流动实现温度控制，并把电解过程中产生的热量带走。这个组件的主要部件有泵、电机、分离阀和收集器。

压力控制器是控制和维持电解池腔体内液气界面所需的压差以及在方式转换过程中控制系统初始的增压和成乐。主要部件有电机驱动的压力调节器、绝对压力和压差传感器以及加热器。

流体控制组件控制和监视水的流量，稳态和方式转换期间氮气的流最，并监测储水箱的压差。主要部件有凸轮驱动的阀、马达操作机构、压力传感器、截止阀和过滤器。

静态供水电解系统的核心组件是电解室。它由多个电解池并联组装而成2。

固体聚合物电解质水电解系统该系统因使用一种固体聚合物作为电解池中的电解质而得名。固体聚合物电解质是一种过氟磺酸聚合物固体塑料片，它具有聚四氟乙烯的许多特点。当它被水浸饱和时，是一种优良的离子传导体.它在电解池中作为电解所需的唯一的电解质。电解时系统中没有游离的酸或碱液，水是唯一的自由液体。固体电解质的两边是阴极和阳极。电解过程中，电解所需的水直接供给到阳极，在阳极电解放出氧气。氢氧根离子在水化的固体聚合物之间穿过，通过电解质运动到阴极，在阴极与电子结合放出氢和固体聚合物。由于电解所用的水和电极接触，必须对水进行预处理。电解池由电源调节器供电。

固体聚合物电解质静态供水电解系统为了避免水与电极直接接触，又利用固体聚合物作为电解质的技术，于是产生了静态供水的固体聚合物电解质电解系统。在这种电解系统的电解池中，电解水并不与电极接触。电解池内还有一个储水室，使用透水离子交换膜把储水室与氢气室隔开，当电解开始时，以储水室到氧电极之间就建立了水的梯度，保证了水不断从储水室供应到氧电极，同时也消除了相分离。为了阻止和避免氢气透过隔膜在储水室中积聚而最终造成储水室中水的枯竭，在供水隔膜上装有一个电化学氢气泵。氢气泵有阳极和阴极，透过隔水膜的氢气在氢气泵的阳极氧化为氢氧根离子，朝阴极运动，在阴极还原成氢气进入氢气室。这样氢气就不能在储水室内积聚。然而，氢气众的技术较为复杂，还有一些有待解决的问题3。

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学