一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统技术方案

本发明专利技术涉及一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块，用于收集及传输太阳能的光热加热模块，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块；捕集与提纯模块与所述热电促进催化反应模块之间连接有第一管路；捕集与提纯模块捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于离子液体释放出提纯的二氧化碳，经过第一管路送至热电促进催化反应模块；光热加热模块与所述热电促进催化反应模块相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至热电促进催化反应模块；第一管路设置有氢气输入支管路；热电促进催化反应模块接收二氧化碳和氢气并进行催化反应生成甲烷燃料。化反应生成甲烷燃料。化反应生成甲烷燃料。

【技术实现步骤摘要】
一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统


[0001]本专利技术涉及燃料制备系统领域，尤其涉及一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统。

技术介绍

[0002]随着航天技术的迅速发展，人类对地外天体的探索已经不仅仅停留在月球时代，登陆更远的地外天体是今后深空探测任务的必由之路。在人类早期对火星的探索过程中发现，火星的表面有着沟壑纵横的河床痕迹，土壤分析也表明火星之前也曾有过水和氧气。火星的这些特征不断激励着人类对其进行探索。液氧/甲烷发动机是执行火星探测任务的最佳选择之一。而火星大气中约95％是CO2，这是氧和碳的主要来源，也是原位制备燃料的物质基础。通过逆水气转换反应结合萨巴蒂尔反应，将CO2中的碳、氧分离(CO2+H2
→
CH4+H2O，H2O
→
H2+O2)，生成的CH4和O2是宝贵的液氧
‑
甲烷(LOX/CH4)液体火箭燃料，可直接用于火星表面上升飞行器动力系统，进而实现空间燃料的补给。
[0003]火星大气中的CO2和吸附在土壤和地下水冰上的水都属于火星原位物质资源，而太阳能是火星上主要的原位能量资源。但是，火星的平均太阳光强只有地球的0.43，此外，火星的光强随着与太阳的距离变化还会有
±
19％的波动。火星上的太阳能很难利用，并且非常宝贵。太阳能全光谱分为长波部分(红外光，约占太阳辐射能的42％)和短波部分(紫外和可见光，约占太阳辐射能的58％)。其中短波部分主要用于光伏发电，而长波部分则无法用于发电，只能使太阳能电池板发热而白白浪费，导致发电系统效率和使用寿命受到严重影响。因此，有效利用太阳能中全光谱能量对于火星资源原位利用是至关重要的。
[0004]CO2甲烷化技术是地球上CO2资源循环再利用的常用手段。由于CO2分子的热力学稳定性，在CO2转化过程中需要有效的催化作用。常用的催化手段主要包括：热催化、电催化、光催化以及光热和光电催化。由于前两者都需要额外的热能和电能的输入，尤其是在火星上使用这种催化方式会加重资源使用的负担。光化学CO2转化是一种新兴的可持续技术，由最广泛可用和可行的可再生能源——太阳能驱动。以CO2为原料将太阳光驱动能量转化为燃料引起了广泛关注。因此，利用太阳能光作为能源输入的光催化或光热/电催化是未来火星CO2甲烷化原位利用的重点发展方向。光催化技术利用清洁可再生太阳能直接转化为化学能，兼顾能源、环境和经济要求，是最具前景的绿色转化技术。目前，光催化还原CO2的研究主要集中在实验室规模，距离规模化实际应用还面临诸多问题。光热和光电催化则是通过将太阳能转化为热能和电能，再进行相应的催化反应，其最终本质还是热催化和电催化。太阳能中的长波和短波部分都可考虑用于CO2的催化，但是阴极CO2电催化还原，效率还会受到阳极半反应(通常为析氧反应)的影响，整个电解体系中阳极上的电能损耗可高达90％。因此，利用太阳能中的光电部分来制备甲烷不是首选之举，这些电能我们可以在其他地方更好地加以利用。充分利用太阳能中的光热部分来进行CO2的原位甲烷化是一条可行之径。
[0005]利用热电(TE)材料作为催化剂载体和促进剂原位调节催化活性是热催化领域出
现的新方法。当用热电材料作催化剂载体，并且TE材料之间存在较大的温差时产生了塞贝克电压，能够大幅度提高催化剂的催化活性，这一现象称为热电促进催化(TEPOC)效应。由于塞贝克电压的存在，热电载体材料和催化剂颗粒的有效功函数都显著降低，从而大幅度提高催化活性。在乙烯氧化和CO2加氢反应中验证了反应速率和塞贝克电压的指数增长关系，这种反应速率的提升是传统的热催化和电催化所达不到的。基于热电促进催化的催化剂体系有望用于火星CO2原位甲烷化，维持其热端所需要热量完全可以有太阳能中的光热部分提供，可以将其光热部分有效利用，提高火星资源原位利用的效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块，用于收集及传输太阳能的光热加热模块，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块；
[0008]所述捕集与提纯模块与所述热电促进催化反应模块之间连接有第一管路；
[0009]所述捕集与提纯模块捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于所述离子液体释放出提纯的二氧化碳，释放出的所述二氧化碳经过所述第一管路送至所述热电促进催化反应模块；
[0010]所述光热加热模块与所述热电促进催化反应模块相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至所述热电促进催化反应模块；
[0011]所述第一管路设置有用于混入氢气的氢气输入支管路；
[0012]所述热电促进催化反应模块接收所述二氧化碳和所述氢气并进行催化反应生成甲烷燃料。
[0013]根据本专利技术的一个方面，所述捕集与提纯模块包括：第一过滤单元，第二过滤单元和离心风机；
[0014]所述第一过滤单元，所述第二过滤单元和所述离心风机依次连接；
[0015]所述第一过滤单元用于对外界大气进行一次过滤；
[0016]所述第二过滤单元用于对外界大气进行二次过滤并通入离子液体吸收外界大气中的二氧化碳，生成富含二氧化碳的离子液体，以及对所述离子液体进行热处理提纯出其中的二氧化碳；
[0017]所述第一管路与所述第二过滤单元相连接。
[0018]根据本专利技术的一个方面，所述第一过滤单元包括：两端开口且中空的直筒，设置在所述直筒的第一过滤结构和第二过滤结构；
[0019]所述第一过滤结构采用蜂窝器结构，所述第二过滤结构采用过滤网结构；
[0020]所述第二过滤单元包括：第三过滤结构，处于所述第三过滤结构上侧的液体分布装置，处于所述第三过滤结构下侧的液体回收装置；
[0021]所述第三过滤结构包括：连接框体和设置在所述连接框体中间位置的过滤网；
[0022]所述液体分布装置用于向所述第三过滤结构输送离子液体；
[0023]所述离子液体淋湿所述过滤网并沿所述过滤网流入所述液体回收装置；
[0024]所述液体回收装置与所述第一管路相连通。
[0025]根据本专利技术的一个方面，所述光热加热模块包括：第一聚光器和第二聚光器；
[0026]所述第一聚光器为反射式聚光器，所述第二聚光器为折射式聚光器；
[0027]所述第一聚光器与所述第二聚光器具有间隔的设置在所述第二聚光器的下方；
[0028]所述热反射镜用于将太阳光中的红外光反射至所述第二聚光器；
[0029]所述第二聚光器连接在所述热电促进催化反应模块的下侧，用于将所述第一聚光器传输的红外光导入至所述热电促进催化反应模块。
[0030]根据本专利技术的一个方面，所述第一聚光器包括：可反射红外光并透射可见光和紫外光的热反射镜和太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向太阳全光谱利用的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，包括：用于捕集和提纯大气中二氧化碳的捕集与提纯模块(1)，用于收集及传输太阳能的光热加热模块(2)，用于接收二氧化碳和氢气进行催化反应的热电促进催化反应模块(3)；所述捕集与提纯模块(1)与所述热电促进催化反应模块(3)之间连接有第一管路(4)；所述捕集与提纯模块(1)捕集大气中的二氧化碳生成富含二氧化碳的离子液体，并基于所述离子液体释放出提纯的二氧化碳，释放出的所述二氧化碳经过所述第一管路(4)送至所述热电促进催化反应模块(3)；所述光热加热模块(2)与所述热电促进催化反应模块(3)相连接的设置，用于将收集的太阳能传输至所述热电促进催化反应模块(3)；所述第一管路(4)设置有用于混入氢气的氢气输入支管路(41)；所述热电促进催化反应模块(3)接收所述二氧化碳和所述氢气并进行催化反应生成甲烷燃料。2.根据权利要求1所述的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述捕集与提纯模块(1)包括：第一过滤单元(11)，第二过滤单元(12)和离心风机(13)；所述第一过滤单元(11)，所述第二过滤单元(12)和所述离心风机(13)依次连接；所述第一过滤单元(11)用于对外界大气进行一次过滤；所述第二过滤单元(12)用于对外界大气进行二次过滤并通入离子液体吸收外界大气中的二氧化碳，生成富含二氧化碳的离子液体，以及对所述离子液体进行热处理提纯出其中的二氧化碳；所述第一管路(4)与所述第二过滤单元(12)相连接。3.根据权利要求2所述的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述第一过滤单元(11)包括：两端开口且中空的直筒(111)，设置在所述直筒(111)的第一过滤结构和第二过滤结构；所述第一过滤结构采用蜂窝器结构，所述第二过滤结构采用过滤网结构；所述第二过滤单元(12)包括：第三过滤结构(121)，处于所述第三过滤结构(121)上侧的液体分布装置(122)，处于所述第三过滤结构(121)下侧的液体回收装置(123)；所述第三过滤结构(121)包括：连接框体(121a)和设置在所述连接框体(121a)中间位置的过滤网(121b)；所述液体分布装置(122)用于向所述第三过滤结构(121)输送离子液体；所述离子液体淋湿所述过滤网(121b)并沿所述过滤网(121b)流入所述液体回收装置(123)；所述液体回收装置(123)与所述第一管路(4)相连通。4.根据权利要求3所述的火星原位合成碳氢燃料系统，其特征在于，所述光热加热模块(2)包括：第一聚光器(21)和第二聚光器(22)；所述第一聚光器(21)为反射式聚光器，所述第二聚光器(22)为折射式聚光器；所述第一聚光器(21)与所述第二聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，王梦宇，高瞻，唐浩然，刘新林，李昊键，常德疆，刘逸轮，王松，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：