一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统的制作方法

本发明属于氢能源领域，涉及一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统。

背景技术：

1、氢能源是未来航天及军事领域能源系统的重要应用趋势，基于pem电解制氢、氧储能作为氢能环节中的重要一环，直接决定了未来氢能源在航天工程中的应用。

2、pem储能中，涉及到能效比的方案，现有的储能技术包括低压产气+气泵增压的方案、中压产气+气泵增压的方案以及高压产气自增压共3种方案，目前现有的储能技术为中低压产气+气泵增压的方案，但该方案能效比低，储气功耗大，损失大，在后续宇航任务中，无法应用。基于高压产气自增压的pem水电解系统方案技术集成度高、运行功耗低，能效比高。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，实现微重力环境下的气体高压低功耗存储，提高水介质的循环利用率。

2、本发明解决技术的方案是：

3、一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，包括pem水电解池、水电解池补水单元、水电解水循环单元、氢气后处理装置、氢气储箱、氧气后处理装置、氧气储箱；

4、储控系统启动时，水电解池补水单元向pem水电解池和水电解水循环单元供水，供水至指定容积时，水电解池补水单元关闭，pem水电解池启动；

5、pem水电解池启动后，消耗液态水的同时产生氢气和氧气，氧气和液态水的混合物通过氧气侧管路进入氧气后处理装置，氢气和液态水的混合物通过氢气侧管路进入氢气后处理装置；

6、氧气后处理装置对氧气和液态水的混合物进行水气分离，得到的纯水进入水电解水循环单元，水气分离后的氧气通过管路逐步注入氧气储箱中；氢气后处理装置对氢气和液态水的混合物进行水气分离，得到的纯水进入水电解水循环单元，水气分离后的氢气通过管路逐步注入氢气储箱中；氧气后处理装置控制氧气产气过程中的压力变化，氢气后处理装置控制氢气产气过程中的压力变化，保证氢气产气过程中的压力始终比氧气产气过程中的压力高0.1～2mpa；氧气储箱中的氧气出口通过管路与水电解池补水单元连接；

7、水电解水循环单元实现液态水在系统中的自循环。

8、优选的，水电解池补水单元包括隔膜储箱、单向阀和驱动泵，隔膜储箱包括气腔和液腔，气腔通过管路与氧气储箱中的氧气出口连接，液腔中储存有液态水，驱动泵入口与液腔连通，出口通过管路分别与pem水电解池和水电解水循环单元连接，驱动泵的入口和出口均设计有单向阀，防止水电解水循环单元高压反冲。

9、优选的，水电解水循环单元对pem水电解池内部的循环水降温，通过离子交换树脂对循环水中的带电离子进行控制，确保循环水的电导率在一定的范围内，保证pem水电解池运行稳定。

10、优选的，氧气后处理装置和氢气后处理装置结构相同，均包括水气分离器、比例溢流阀、第一单向阀、纯化装置、冷凝器、毛细水回水装置；

11、水气分离器对水气混合物进行分离，将得到的纯水反馈至水电解水循环单元，得到的气体经过比例溢流阀和单向阀进入纯化装置；

12、纯化装置对气体进行纯化，得到纯净的气体、液态水和气态水；纯净的气体经冷凝器后进入对应的气体储箱，液态水和气态水经冷凝器得到液态水，所述液态水通过管路进入毛细水回水装置进行回收；

13、毛细水回水装置通过管路将回收的纯水经水气分离器反馈至水电解水循环单元；

14、所述比例溢流阀的开度能够调节，通过调节比例溢流阀的开度，保证从比例溢流阀流出的气体压力满足要求。

15、优选的，氧气后处理装置的水器分离器通过氧气侧纯水回收管路与水电解水循环单元连接，氧气侧纯水回收管路上沿纯水流动方向依次设置有第二单向阀、第一自锁阀和第二自锁阀。

16、优选的，氢气后处理装置的水气分离器通过氢气侧纯水回收管路与水电解水循环单元连接，氢气侧纯水回收管路上沿纯水流动方向依次设置有比例减压阀、第三单向阀、电磁阀；

17、氢气后处理装置的水气分离器中设置有临时储水箱，临时储水箱上设置有液位传感器；氢气后处理装置的水气分离器对水气混合物进行分离，将得到的纯水间歇式反馈至水电解水循环单元，具体实现方式如下：

18、氢气后处理装置的水气分离器对水气混合物进行分离，将得到的纯水储存在临时储水箱中，当液位传感器采集到临时储水箱的液位达到预设值上限时，打开比例减压阀、第三单向阀、电磁阀，将临时储水箱中的水反馈至水电解水循环单元，临时储水箱中的液位达到预设值下限时，关闭比例减压阀、第三单向阀、电磁阀。

19、优选的，排放过程中通过调节比例减压阀开度进行减压，根据压力传感器实时判读氢气后处理装置的水气分离器的水工质经过比例减压阀调压后的压力和水电解水循环单元中的压力，确保氢气后处理装置的水气分离器储水经过减压后的压力比水电解水循环单元的压力高50～100kpa。

20、优选的，比例溢流阀包括安装座、阀芯组件、阀体、活塞、电磁铁、复位弹簧；

21、阀体中部开有“工”字型贯通腔，安装座上开有盲腔，阀体固定在安装座上，固定到位后所述“工”字型贯通腔和盲腔连通且共轴；复位弹簧安装在所述盲腔底部，阀芯组件为“t”型结构，阀芯组件位于复位弹簧上，阀口安装在阀芯组件上端面上，活塞为“t”型结构，底部安装在阀口中，上端“一”部位于阀体“工”字型贯通腔的上端“一”部中，电磁铁安装在阀体上方，电磁铁下端中心处设置有凸起，所述凸起与活塞上端面固连；

22、阀体侧壁开有进气口和出气口，所述进气口与“工”字型贯通腔连通，出气口和进气口位置相对，阀体上还开有连通腔，所述连通腔用于将“工”字型贯通腔底部与出气口连通。

23、优选的，冷凝器的冷凝单元依靠月面低温环境实现。

24、优选的，纯化装置采用钯触媒纯化装置。

25、本发明与现有技术相比的有益效果是：

26、本发明采用双侧高压电解池结合系统自增压方案，实现氢氧两种工质的高压存储，并通过比例溢流阀、比例减压阀、压力传感器等部件实现系统压力的阀控调节，减少了现有技术对增压泵、驱动泵的需求，实现微重力环境下的气体高压低功耗存储，提高水介质的循环利用率，系统复杂度和功耗大幅降低，为后续月面再生燃料电池系统提供保障。

技术特征：

1.一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：包括pem水电解池、水电解池补水单元、水电解水循环单元、氢气后处理装置、氢气储箱、氧气后处理装置、氧气储箱；

2.根据权利要求1所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：水电解池补水单元包括隔膜储箱、单向阀和驱动泵，隔膜储箱包括气腔和液腔，气腔通过管路与氧气储箱中的氧气出口连接，液腔中储存有液态水，驱动泵入口与液腔连通，出口通过管路分别与pem水电解池和水电解水循环单元连接，驱动泵的入口和出口均设计有单向阀，防止水电解水循环单元高压反冲。

3.根据权利要求1所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：水电解水循环单元对pem水电解池内部的循环水降温，通过离子交换树脂对循环水中的带电离子进行控制，确保循环水的电导率在一定的范围内，保证pem水电解池运行稳定。

4.根据权利要求1所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：氧气后处理装置和氢气后处理装置结构相同，均包括水气分离器、比例溢流阀、第一单向阀、纯化装置、冷凝器、毛细水回水装置；

5.根据权利要求4所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：氧气后处理装置的水器分离器通过氧气侧纯水回收管路与水电解水循环单元连接，氧气侧纯水回收管路上沿纯水流动方向依次设置有第二单向阀、第一自锁阀和第二自锁阀。

6.根据权利要求5所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：氢气后处理装置的水气分离器通过氢气侧纯水回收管路与水电解水循环单元连接，氢气侧纯水回收管路上沿纯水流动方向依次设置有比例减压阀、第三单向阀、电磁阀；

7.根据权利要求6所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：排放过程中通过调节比例减压阀开度进行减压，根据压力传感器实时判读氢气后处理装置的水气分离器的水工质经过比例减压阀调压后的压力和水电解水循环单元中的压力，确保氢气后处理装置的水气分离器储水经过减压后的压力比水电解水循环单元的压力高50～100kpa。

8.根据权利要求4所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：比例溢流阀包括安装座(6)、阀芯组件(4)、阀体(2)、活塞(3)、电磁铁(1)、复位弹簧(5)；

9.根据权利要求4所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：冷凝器的冷凝单元依靠月面低温环境实现。

10.根据权利要求4所述的一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，其特征在于：纯化装置采用钯触媒纯化装置。

技术总结一种适应月面微重力的高压水电解产气储控系统，启动时，水电解池补水单元向PEM水电解池和水电解水循环单元供水，供水至指定容积时，PEM水电解池启动，消耗水的同时产生氢气和氧气，氧气和液态水的混合物通过氧气侧管路进入氧气后处理装置，氢气和液态水的混合物通过氢气侧管路进入氢气后处理装置；氧气/氢气后处理装置对气体和液态水的混合物进行水气分离，得到的纯水进入水电解水循环单元，气体通过管路逐步注入对应储箱中；控制气产气过程中的压力变化，保证氢气产气过程中的压力始终比氧气产气过程中的压力高0.1～2MPa；氧气储箱中的氧气出口通过管路与水电解池补水单元连接。本发明实现微重力环境下的气体高压低功耗存储，提高水介质的循环利用率。技术研发人员：谢文,杜国飞,杨东升,周旭,徐迎丽,刘建峰,李鹏,魏进芳,袁培,周鹏受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/17