一种在火星上原位制氧的方法

本发明属于制氧，尤其涉及一种在火星上原位制氧的方法。

背景技术：

1、随着人类文明的发展，地球上的各种资源也在被快速地消耗着，与此同时，由于缺乏可持续发展意识，各种生态环境问题接踵而至，再加上不断增加的人口，地球的负担越来越重，人们开始寻找宇宙中新的家园。

2、火星是目前已知的除地球外最适宜人类居住的星球，在许多方面都与地球有着相似之处。火星不但拥有大气层还富含水源，吸引了国内外众多研究者的探索兴趣。但要想在火星上长期生存，必须解决氧气来源问题。依靠补给并不是理想的方法，从地球到火星补给一次需要耗费巨大的人力物力以及时间，而且对于未来移民并不现实，必须开发能利用火星上现有的资源进行原位制氧的方法。基于此，王伟等人提出了一种火星表面原位生物制氧方法，即在太空实验舱中种植耐受植物，钻取出蕴藏于地下的水冰并加热融化，连同大气中的二氧化碳一起作为原料，通过光和合作作用制取氧气。李艳菊等人提出了一种高氯酸盐生物转化原位制氧方法，即以火星土壤中大量存在的高氯酸盐为原料，通过功能微生物的发酵作用将其转化为氧气。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在火星上原位制氧的方法，该方法简单，且得到的氧气产量高，纯度高。

2、本发明提供了一种在火星上原位制氧的方法，包括以下步骤：

3、将高二氧化碳浓度的电解原料气加压、预热后通入固体氧化物电解池的燃料极，还原为一氧化碳和氧气，从固体氧化物电解池的空气极收集氧气。

4、本发明优选采用鼓风装置从火星大气中捕获初始原料，采用过滤装置除去其中的固体颗粒，得到高二氧化碳浓度的电解原料气。

5、在本发明中，所述固体氧化物电解池包括依次设置的燃料极集流层、阳极支撑层、活性燃料极层、电解质层、阻隔层和空气极。

6、在本发明中，向燃料极侧通入h2；

7、h2和二氧化碳的流量比为1:1.8～2.5，优选为1:2。具体实施例中，所述h2的流量为1l/min；co2的流量为2l/min。

8、在本发明中，所述电解还原采用的电流为10～14a。具体实施例中，所述电流为12a。本发明通过控制电解电流来控制产氧量；电解法制氧严格遵循电荷守恒定律，即当电解电流的大小确定时，二氧化碳的转化量亦为定值，由于氧离子导体电解质的缘故，会有当量的氧气在空气极产生。

9、在本发明中，所述预热后的电解原料气的温度为740℃～800℃。具体实施例中，预热后的电解原料气的温度为750℃。

10、在本发明中，所述阳极支撑层中包括nio；

11、所述阳极支撑层的孔隙率为38～42％，更优选为40％。

12、在本发明中，所述电解质层的材质为ysz；

13、所述阻挡层的材质为gdc。

14、在本发明中，在电池的工作过程中，首先通入h2，使h2还原nio生成ni单质，同时h2被氧化为水蒸气；原料气通入阳极支撑层的孔道中，经扩散后到达活性燃料极层；二氧化碳在活性燃料极中的三相界面处得电子发生还原反应，生成一氧化碳与氧离子，氧离子穿过致密的氧离子导体电解质层与阻隔层，到达空气极，在空气极的三相界面处发生失电子氧化反应，生成氧气；一氧化碳与未反应的二氧化碳从图3的支撑层5的孔道中流出，氧气从空气极侧流出。

15、图1为本发明提供的在火星上原位制氧的工艺流程图；由图1可知：使用鼓风装置从火星大气中捕获初始原料，优选采用过滤装置除去其中的固体颗粒，得到高二氧化碳浓度的电解原料气；将原料气经加压、预热后通入固体氧化物电解池中高温电解，二氧化碳被电还原为一氧化碳与氧气，电解所需电能、热能均由太阳能提供；电解池的燃料极侧尾气经分离后，未反应的二氧化碳直接排至火星大气中，一氧化碳经压缩后储存，同时部分返回原料气以维持电解池燃料极的还原气氛；从电解池的空气极出口收集氧气，经加压后储存。

16、本发明将空气极的出口与储存装置相连即可实现高纯氧的收集，氧气纯度高且收集简便；由于固体氧化物电解池自身结构的特性，燃料极与空气极被致密的氧离子导体电解质隔开，一氧化碳与未反应的二氧化碳从燃料极侧流出，氧气则单独从空气极侧流出，理论纯度可达100％。而对于生物制氧法，产生的氧气将直接释放在系统中，与反应物以及其它杂质气体混合，无法直接使用。

17、本发明提供的方法制氧快速且稳定，制氧量精准可控。本发明通过电解的方法制备氧气，相比于植物的光合作用或微生物的发酵作用，电化学反应的速度快的多，且产氧量可通过电解电流精确控制。而对于生物制氧法，反应受到温度、水分、原料浓度等多种因素的影响，并且生物自身呼吸作用亦需消耗部分氧气，使得制氧效率低且难以调控。

18、本发明提供的方法采用的原料为火星中的二氧化碳，在火星大气中含量高于95％，仅仅利用鼓风装置便可实现捕获。而生物制氧法所需的水以及高氯酸盐主要存在于火星两极地区，特别是水以水冰的形式存在于地下，需要进行开采，获取原料所需的工程量较大。

19、本发明提供了一种在火星上原位制氧的方法，包括以下步骤：将高二氧化碳浓度的电解原料气加压、预热后通入固体氧化物电解池的燃料极，电解还原为一氧化碳和氧气，从固体氧化物电解池的空气极收集氧气。本发明提供的方法通过外加电流促使二氧化碳分解而进行制氧，反应快速且稳定，氧气的生成量严格遵循电荷守恒定律，即可由电解电流控制。得益于固体氧化物电解池结构的特性，产生的氧气天然的与燃料极侧气体分离，理论纯度可达100％。另外，由于火星大气中的二氧化碳浓度高达95％以上，电解所需的二氧化碳可直接从大气中捕获，只需简单的除去固体颗粒，即可用于制氧。

技术特征：

1.一种在火星上原位制氧的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体氧化物电解池包括依次设置的燃料极集流层、阳极支撑层、活性燃料极层、电解质层、阻隔层和空气极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向燃料极侧通入h2；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解还原采用的电流为10～14a。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热后的电解原料气的温度为740℃～800℃。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阳极支撑层中包括nio；

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质层的材质为ysz；

技术总结
本发明提供了一种在火星上原位制氧的方法，包括以下步骤：将高二氧化碳浓度的电解原料气加压、预热后通入固体氧化物电解池的燃料极，电解还原为一氧化碳和氧气，从固体氧化物电解池的空气极收集氧气。本发明提供的方法通过外加电流促使二氧化碳分解而进行制氧，反应快速且稳定，氧气的生成量严格遵循电荷守恒定律，即可由电解电流控制。得益于固体氧化物电解池结构的特性，产生的氧气天然的与燃料极侧气体分离，理论纯度可达100％。另外，由于火星大气中的二氧化碳浓度高达95％以上，电解所需的二氧化碳可直接从大气中捕获，只需简单的除去固体颗粒，即可用于制氧。

技术研发人员：李超磊,武安祺,韩贝贝,王建新,官万兵
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22