PEM水电解技术在航天上的应用现状与发展趋势
发布时间：2021-09-01 09:23
介绍了质子交换膜（PEM）水电解技术的特点及其在国内外航天领域的应用现状,在分析空间任务的发展趋势,以及能源、动力、环境控制与生命保障系统需求变化的基础上,认为在未来载人航天任务中,能源、动力、生保物质互用的解决方法是摆脱依赖地面支持、实现自主和可持续保障的最优途径,并指出了PEM水电解技术作为实现这一技术途径的关键环节所面临的挑战。
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(02)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
PEM水电解器与碱性水电解器工作特性对比
图2 180 d开放式任务环控生保高压氧补给方案的总质量和等效系统质量对比结果表明：对于180 d任务，采用液氧或生保能源共享的高压电解制氧方案比较理想。对于10 a任务，则在轨电解的方案最优。尽管压缩机质量、体积和功率都较低，与低压电解组合在等效质量方面略占优势，但由于无油，活塞和金属气缸之间的摩擦缩短压缩机使用寿命，增大维护负担。
2009年，NASA约翰逊中心联合Hamilton Sundstrand公司在前期研究的基础上，以长期驻月基地任务以及180 d周期的标准“前哨”飞行任务作为分析对象，进行了多种供氧方案的总质量及等效系统质量评价[9]。任务中设定每次出舱活动为2人，高压氧（20.7 MPa）消耗量为0.73 kg·人-1·次-1，任务次数为150次。分析结果表明：180 d及10 a任务所需的高压氧资源分别为218 kg、4 364 kg。对各种在轨高压氧、高压氢气补给方案的经济性进行对比，设定的方案包含高压气瓶运输、液氧运输、在轨电解制氧、利用原位资源制氧共4类、7种方案，具体如下：1）地面携带工作压力范围为21.4～27.6 MPa高压气瓶供氧（A);2）地面携带低温储罐运氧，将其蒸发后与气态氧混合成高压氧（B1);3）地面携带低温储罐运氧，由变温吸附压缩机加压到27.6 MPa(B2);4）轨道上低压水电解制氧，用多级活塞式压缩机压缩至20.7 MPa(C);5）轨道上用PEM水电解装置输出压力12.8 MPa的氧，用压缩机增压到24.8 MPa(D);6）共享能源系统的高压水电解供氧，同时也为航天服供氧，电解装置输出压力24.8MPa(E);7）月球基地“原位资源利用装置”电解输出5.2 MPa氧气，压缩机提高到24.8 MPa(F）。分析的结果如图2和图3所示。图3 10 a封闭式任务环控生保高压氧补给方案的总质量和等效系统质量对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间站再生生保关键技术研究[J]. 吴志强,高峰,邓一兵,卞强,董文平,刘向阳,周抗寒,李英斌,赵成坚. 航天医学与医学工程. 2018(02)
[2]中秋节载人登月任务窗口与转移轨道设计研究[J]. 贺波勇,顾绍景,黄海兵,李海阳. 上海航天. 2017(05)
[3]电解制氧装置环境适应性设计与试验研究[J]. 尹永利,周抗寒,李俊荣,李健,王飞. 航天医学与医学工程. 2015(05)
[4]高压质子交换膜水电解技术研究[J]. 李俊荣,周抗寒,王飞,尹永利. 载人航天. 2015(02)
[5]空间站电解制氧技术研究进展[J]. 李俊荣,尹永利,周抗寒,王飞,任春波. 航天医学与医学工程. 2013(03)
[6]5MPa高压质子交换膜水电解装置的研制与试验[J]. 周抗寒,任春波,王飞,李俊荣,张立艳. 航天医学与医学工程. 2012(05)
[7]质子交换膜燃料电池及其空间应用[J]. 王东,张伟,刘向. 上海航天. 2005(02)
本文编号：3376725
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(02)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
PEM水电解器与碱性水电解器工作特性对比
图2 180 d开放式任务环控生保高压氧补给方案的总质量和等效系统质量对比结果表明：对于180 d任务，采用液氧或生保能源共享的高压电解制氧方案比较理想。对于10 a任务，则在轨电解的方案最优。尽管压缩机质量、体积和功率都较低，与低压电解组合在等效质量方面略占优势，但由于无油，活塞和金属气缸之间的摩擦缩短压缩机使用寿命，增大维护负担。
2009年，NASA约翰逊中心联合Hamilton Sundstrand公司在前期研究的基础上，以长期驻月基地任务以及180 d周期的标准“前哨”飞行任务作为分析对象，进行了多种供氧方案的总质量及等效系统质量评价[9]。任务中设定每次出舱活动为2人，高压氧（20.7 MPa）消耗量为0.73 kg·人-1·次-1，任务次数为150次。分析结果表明：180 d及10 a任务所需的高压氧资源分别为218 kg、4 364 kg。对各种在轨高压氧、高压氢气补给方案的经济性进行对比，设定的方案包含高压气瓶运输、液氧运输、在轨电解制氧、利用原位资源制氧共4类、7种方案，具体如下：1）地面携带工作压力范围为21.4～27.6 MPa高压气瓶供氧（A);2）地面携带低温储罐运氧，将其蒸发后与气态氧混合成高压氧（B1);3）地面携带低温储罐运氧，由变温吸附压缩机加压到27.6 MPa(B2);4）轨道上低压水电解制氧，用多级活塞式压缩机压缩至20.7 MPa(C);5）轨道上用PEM水电解装置输出压力12.8 MPa的氧，用压缩机增压到24.8 MPa(D);6）共享能源系统的高压水电解供氧，同时也为航天服供氧，电解装置输出压力24.8MPa(E);7）月球基地“原位资源利用装置”电解输出5.2 MPa氧气，压缩机提高到24.8 MPa(F）。分析的结果如图2和图3所示。图3 10 a封闭式任务环控生保高压氧补给方案的总质量和等效系统质量对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间站再生生保关键技术研究[J]. 吴志强,高峰,邓一兵,卞强,董文平,刘向阳,周抗寒,李英斌,赵成坚. 航天医学与医学工程. 2018(02)
[2]中秋节载人登月任务窗口与转移轨道设计研究[J]. 贺波勇,顾绍景,黄海兵,李海阳. 上海航天. 2017(05)
[3]电解制氧装置环境适应性设计与试验研究[J]. 尹永利,周抗寒,李俊荣,李健,王飞. 航天医学与医学工程. 2015(05)
[4]高压质子交换膜水电解技术研究[J]. 李俊荣,周抗寒,王飞,尹永利. 载人航天. 2015(02)
[5]空间站电解制氧技术研究进展[J]. 李俊荣,尹永利,周抗寒,王飞,任春波. 航天医学与医学工程. 2013(03)
[6]5MPa高压质子交换膜水电解装置的研制与试验[J]. 周抗寒,任春波,王飞,李俊荣,张立艳. 航天医学与医学工程. 2012(05)
[7]质子交换膜燃料电池及其空间应用[J]. 王东,张伟,刘向. 上海航天. 2005(02)
本文编号：3376725
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