水电解和低温液化系统的制作方法

水电解和低温液化系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求享有于2020年3月2日提交的美国临时专利申请序列号no.62/984,293的权益。通过引用将相关申请全部并入本文。


背景技术：

3.一个新出现的极为有趣的主题是开发一种能够从水原料中生产液氢和液氧的系统，该系统能够扩展到数十公吨/月，并且在没有人类参与的情况下运行，因为这样的系统可以在月球表面或太空中使用。例如，国家航天委员会最近的言论指示，人类最早可以在2024年返回月球表面。然而，这一倡议的关键要求之一是实现可持续的勘探计划。通过尽可能多地利用当地资源来部分实现可持续性。目前在月球上的原位资源利用(isru)的计划主要集中在假设在极地长期被这笔的陨石坑中的水冰上。如果获取和处理这些冰能够，则进一步勘探所需的大部分耗材可以在当地供应，而不是从地球上交付。然后，水及其氧和氢元素可被用于多种空间应用，包括饮用水和冷却水、呼吸氧、燃料电池反应物，并且特别是用于火箭推进剂的液氧和液氢。推进剂的应用是特别有吸引力的，因为推进剂通常占航天器和火箭升空质量的很大一部分，并且液氧和液氢形成了可以实际使用的一种特别好的化学推进剂组合。月球上的液氧和液氢加注站可以实现上升和下降阶段的燃料补充，这是可重复使用的必要能力。
4.虽然氢和氧液化器在地球上已经使用了100多年，但月球两极附近的当地环境使得这些系统在太空中的使用不切实际。因此，需要一种能够从水中产生氢气和氧气并将它们液化以在月球表面用作推进剂的系统，其中几乎不需要人类参与。


技术实现要素：

5.本文公开了水电解和低温液化系统。
6.在一方面，一种水电解和低温氢液化系统，包括与电解器的阳极侧室流体连通的水流；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；深空氧气散热器，经过分离的氧气流与电解器的阳极侧室流体连通；低温热交换器，包括经过已冷却氧气流与深空氧气散热器流体连通的储氧罐；电化学氢气压缩机，经过分离的氢气流与阴极侧室流体连通；储氢罐，经过由至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器冷却的已冷却氢气流与电化学氢气压缩机流体连通；其中，冷却氢气流的至少一部分与膨胀阀和定位于膨胀阀下游的低温热交换器第一流体连通；其中，储氢罐经过由至少一个复热式热交换器加热的已加热氢气流与电化学氢气压缩机第二流体连通；并且其中低温热交换器经过已热交换氢气流与已加热氢气流流体连通。
7.在另一方面，一种用于电解水并从中低温形成液氧的方法包括将水流引导至电解器的阳极侧室或阴极侧室中的至少一个；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；将分离的氧气流从电解器的阳极侧室引导至深空氧气散热器；将已冷却氧气流从深空氧气散热器引导至低温热交换器的储氧罐；将分
离的氢气流从阴极侧室引导至电化学氢气压缩机；将已冷却氢气流从电化学氢气压缩机引导至储氢罐，并在储氢罐上游的至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器中对已冷却氢气流进行冷却；在膨胀阀中膨胀已冷却氢气流的至少一部分以形成制冷剂氢气流，并将制冷剂氢气流引导至低温热交换器；将已加热氢气流从储氢罐引导至电化学氢气压缩机，并经过至少一个复热式热交换器来对已加热氢气流进行加热；以及将已热交换氢气流从低温热交换器引导至电化学氢气压缩机上游的已加热氢气流。
8.以下附图、详细描述和权利要求举例说明了上述和其他特征。
附图说明
9.下图是被提供以说明本公开的示例性实施例。
10.图1是水电解和低温液化系统的一个方面的图示；以及
11.图2是水电解和低温液化系统的电化学部分的一个方面的图示。
具体实施方式
12.需要一种可在月球上使用的从水中生产液氧的系统和方法。虽然地球上有许多制氢工艺，但每种工艺在月球上使用都有明显的缺点。例如，蒸汽甲烷重整和煤气化需要碳氢化合物原料。诸如微生物或藻类生物质等生物工艺对于小规模的月球应用来说过于复杂。此外，虽然太阳能直接分解水的工艺似乎很有希望，但技术水平太低，不适合早期的月球任务。
13.为了克服这些问题，开发了一种水电解和低温氢液化系统，该系统可以将水电解以形成氧和氢，并使用氢作为制冷剂对氧进行低温液化。具体而言，该系统可包括电解器，以从水中形成氧和氢。氢可以被引导到电化学压缩机，在那里它不仅可以增加氢气流的压力，还可以提供液化氧和氢产品流所需的制冷功率。然后可以配置膨胀阀和热交换器的系统，使氢可被用作制冷剂来液化氧。
14.虽然氢压缩有多种选择，包括活塞式和涡轮式机械压缩机、吸附式压缩机和电化学压缩机，但电化学压缩因其简单、可靠、可扩展性和效率而提供许多优势。当前的电化学氢气压缩机可以将电解器中形成的氢和通过系统循环的氢压缩，例如从1巴的压力压缩到100巴的压力。有利的是，这种压缩可以在没有传统机械手段的情况下进行，传统机械手段利用的移动部件可以有噪音、有振动、可以因不当维修和维护而引入污染物，并且效率低下。氢的电化学压缩的比能可以与商用压缩机竞争，其中添加的益处为基本上没有日常维护要求或停机时间。
15.与当前系统相比，该系统有几个明显的优点，包括当前系统比机械压缩更安静、更高效，并且其益处是不需要高速涡轮机械、带间隙密封的活塞、润滑或减振技术。电解器和压缩机可以使用直流电，从而减少与太阳能电池的电气集成损耗。这些益处和其他益处的总和将可能导致系统在无需人为干预的情况下长期运行，并减少维护需求。
16.除了能够在地球上使用外，该系统的优点是可以在太空中使用，例如，在月球上，使用从月球表面提取的水和/或来自月球基地的光伏阵列的电力。附加地，当地的热环境可被用于预冷推进剂，从而将电力要求降至最低。例如，该系统可以使用新型深空散热器将产品流预冷至低温，以及使用氢作为制冷剂液化氧的焦耳-汤姆孙(jt)液化循环。该系统和方
法具有的益处是可以产生推进剂级的氧和氢，以允许载具从月球表面发射。
17.图1是水电解和低温液化系统和方法的图示，该系统和方法使用化学处理从水中产生氢和氧，以及对氧进行低温液化的热力学处理。在系统的化学处理部分中，可将水流8引入电解器10，其中水流8可被分离为分离的氧气流12和可被引导至电化学氢气压缩机40的分离的氢气流16。电化学氢气压缩机40可压缩分离的氢气流16以形成已压缩氢气流42。应当注意的是，电解器10可以根据需要包括一个或多个电解器。同样，电化学氢气压缩机40可以根据需要包括一个或多个电化学压缩机。已压缩氢气流42的温度可以是250到400开尔文(k)，或250到350k。已压缩氢气流42的压力可以大于或等于50巴(bar)，或50到200巴，或100到200巴。
18.在系统的热力学处理部分中，使用氢作为制冷剂对氧进行低温液化。这里，分离的氧气流12的一部分可以被引入深空散热器20，在那里通过向周围环境放热进行冷却。分离的氧气流12的温度可以是200到400k，或250到350k。分离的氧气流12的压力可以是10到50巴，或20到40巴。深空散热器下游的氧气温度，例如已冷却氧气流22的温度可以是100到200k，或100到175k。已冷却氧气流22的压力可以是10到50巴，或20到40巴。分离的氧气流12和已冷却氧气流22的压力可以相同，或者该气流可以通过深空散热器20经历压降，从而已冷却氧气流22的压力低于分离的氧气流12。深空氧气散热器20可以具有高辐射热涂层或太阳遮罩中的至少一个，以防止入射的太阳辐射。深空散热器可以提供受控的预冷，使温度低于或等于150k，或低于或等于100k。深空氧气散热器20具有的热交换表面积可以小于或等于0.5平方米，或0.05到0.3平方米。氧气流12的一部分可以作为旁通流14绕过深空氧气散热器20。被引入深空氧气散热器20的分离的氧气流12的相对量与分流的量可以被优化，以实现已冷却氧气流22的所需温度。
19.已冷却氧气流22可被膨胀至低压，并且然后被引导至储氧罐30，其中制冷剂氢气流74可被用于通过去除汽化热来液化已冷却氧气流22以形成液氧。氧气膨胀阀28(其可以被额外使用或与焦耳-汤姆孙设备交换)可被定位于储氧罐30的上游。氧气膨胀阀28可经过等熵处理将已冷却氧气流22的压力降低至小于或等于10巴，或0.005至5巴，或0.05至0.5巴的压力。注意，该压力仅为示例性的，并且可取决于所需的存储压力。
20.管道可以与储氧罐30集成以形成低温热交换器，其中管道可以被配置为去除冷却氧气流22的汽化热。储氧罐30中的氧气温度不受特别限制，但可以，例如，低于或等于100k，或45至100k。储氧罐30的体积不受特别限制，但可以是，例如，25至150升，或50至100升。氧可以经过储罐排气阀32从储氧罐中排出。储氧罐30中储存的氧气的一部分可以作为液体排放34被抽出，以根据需要除去氧气。图中未示出其他典型的储罐部件，诸如安全阀、排水管和服务管以及仪表。
21.参考回到系统的热力学处理部分的氢部分，例如，可以将离开电化学氢气压缩机40的已压缩氢气流42引入一个或多个复热式热交换器或一个或多个氢气散热器，以便在被引导到低温热交换器之前预冷，例如，经过氢气膨胀阀38，或者经过储氢膨胀阀88被引导至储氢罐90。例如，可以将压缩氢气流42引入第一复热式热交换器50，以通过与低压氢气流交换热量来形成第一降温氢气流52。第一复热式热交换器50可以交换150到250瓦。第一降温氢气流52的温度可以是150到350k，或160到240k。
22.第一降温氢气流52可被引导至深空氢气散热器60以形成散热器冷却氢气流62。与
深空氧气散热器20类似，深空氢气散热器60可以具有高辐射率涂层或太阳遮罩中的至少一个。深空氢气散热器60可以具有的热交换表面积为0.5到5平方米。深空氢气散热器60可提供受控的预冷，使温度低于或等于180k，或低于或等于150k，或120至180k。
23.散热器冷却氢气流62可被引入第二复热式热交换器70以形成进一步降温的氢气流72。第二复热式热交换器70可以交换50到150瓦。进一步降低温度的氢气流72的温度可以为50到100k，或55到80k。
24.然后，可以将进一步降低温度氢气流72的第一部分引入氢气膨胀阀38，以降低压力并形成制冷剂氢气流74，以向储氧罐30提供冷却。制冷剂氢气流74具有的压力可以小于或等于10巴，或0.005至5巴，或0.05至0.5巴。制冷剂氢气流74具有的温度可以低于或等于100k，或20到100k。
25.制冷剂氢气流74可被引导至低温热交换器，并可被用于冷却储氧罐30中的氧。低温热交换器可以是罐上管热交换器，其中制冷剂氢气流74可以盘绕在储氧罐30周围。与制冷剂氢气流74相比，热交换氢气流76可以具有的温度升高。热交换氢气流76的温度可为90至250k或100至200k。
26.可将进一步降温氢气流72的第二部分引入第三复热式热交换器80以形成最终降温氢气流82。第三复热式热交换器80可以交换10到50瓦。最终降温氢气流82的温度可以是20到80k，或20到45k。最终降温氢气流82的压力可以大于或等于50巴，或50到200巴，或100到200巴。最终降温氢气流82的压力可以与已压缩氢气流42的压力相同，或者氢气流可以通过热交换器/散热器经历压降，使得已冷却氢气流在每个相应的冷却事件后可以具有较低的压力。
27.应当注意的是，相应的复热式热交换器可以各自独立地包括一个或多个管中管热交换器、膨胀泡沫热交换器、多孔板或板翅式热交换器。此外，相应的复热式热交换器可以包括一个或多个串联或并联的复热式热交换器。
28.最终降温氢气流82可被引导至储氢罐90。储氢膨胀阀88可被定位于储氢罐90的上游。储氢膨胀阀88可以经过等焓膨胀来使最终降温的氢气流82膨胀。储氢膨胀阀88可以将最终降温氢气流82的压力降低到例如小于或等于10巴，或0.005至5巴，或0.05至0.5巴的压力。储氢罐90中最终降温氢气流82的温度可以是34和14k。储氢罐的体积没有特别限制，但可以是，例如，100到500升，或150到350升。
29.膨胀阀28、38和88可以各自独立地为焦耳-汤姆孙(jt)阀或包括固定节流孔或管路限制的其他一些膨胀设备。膨胀阀28、38和88可以各自独立地利用固定流量限制和/或并入加热元件以降低堵塞风险。此外，可以根据需要添加上游净化单元，以进一步减轻堵塞风险。对于包括克劳德循环在内的替代制冷循环，可以使用诸如涡轮或活塞的等熵膨胀设备。
30.相应的储罐可以各自独立地没有真空套，或者其尺寸可以容纳系统运行约20天的产品。相应的储罐可各自独立利用低导电性支撑和多层绝缘，以便最大限度地减少寄生热泄漏。相应的储罐可各自独立利用轴向喷杆来分配供应的流体，并保持等温储存条件。相应的储罐可各自独立地包括内部温度耙，以获得相应的储罐中的分层和液位。相应的储罐可以各自独立地使用常见的低温流体管理设备，诸如扩散器、加注口和排放口、排气和释放设备或蒸发器。
31.储氢罐90中储存的氢的一部分可作为液体排放94而被抽出，以根据需要除去氢。
一部分储存的氢可以作为氢循环流92从储氢罐90中抽出。氢循环流92可被引入第三复热式热交换器80。热量可以从进一步降温氢气流72(hp流72)流向氢循环流92(lp流92)，以有效地冷却hp流72。lp流92可以作为第一加热氢气流84退出第三复热式热交换器80。第一加热氢气流84的温度可以为45到80k，或50到75k。
32.可将第一加热氢气流84和热交换氢气流76引入第二复热式热交换器70。热量可以从散热器已冷却氢气流62流向第一加热氢气流84，以有效地冷却散热器已冷却氢气流62。第一加热氢气流84可以作为第二加热氢气流78退出第二复热式热交换器70。第二加热氢气流78的温度可为80至210k，或90至180k。
33.可将第二加热氢气流78引入第一复热式热交换器50。热量可以从已压缩氢气流42流向第二加热氢气流78，以有效地冷却压缩氢气流42。第二加热氢气流78可以作为第三加热氢气流54退出第一复热式热交换器50。第三加热氢气流54的温度可以为200至350k，或250至300k。
34.第三加热氢气流54可与分离的氢气流16组合并引入电化学氢气压缩机40。
35.应当注意，虽然图1基于焦耳-汤普森制冷循环，但本领域技术人员理解，可以使用其他制冷循环。例如，当前技术涵盖多种其他基于氢制冷剂的循环，包括使用涡轮冷却器的克劳德循环、双压循环、多级循环和多压循环。
36.图2进一步示出了系统的化学处理部分。应当注意，虽然图2示出了向电解器10的阴极侧室160供水的情况，但可以对系统进行重新配置，以使水可以向电解器10的阳极侧室120供水。在图2中，水流8可被引导至电解器10的阴极侧室160，其中水可与电解器mea接触，该电解器mea包括电解器质子交换膜140，其具有催化电极、电解器阳极130和电解器阴极150，定位于任一侧以促进电化学半反应。水可以通过电解器质子交换膜140而被输送，并且然后可以接触电解器阳极130，在那里可以使用较小电压将水电化学分解为氧和氢。分离的氧气流12可以从电解器10的阳极侧室120中退出。分离的氧气流12可具有10至40巴的压力。
37.在电解器阳极130处，由于施加的电压的极性，从阳极处的水分离的质子可以跨电解器质子交换膜140而被输送回来，并且电子可以通过外部电路进行总线连接。然后，通过电解器质子交换膜140驱动的质子可以在电解器mea的电解器阴极150处与来自外部电路的电子进行总线连接，以在电解器阴极侧室160中形成分子氢。一定量的水可以跨电解器质子交换膜140而被输送，这些水在被引导到电化学氢气压缩机40之前可以被去除，也可以不被去除。例如，分离的氢气流16可被引导至一个或多个氢气相分离器194，其中相应的浮标允许氢气从相分离器的顶部退出，并且水从相分离器的底部退出。分离的氢可被引导至再生式热交换器196，以在被引入电化学氢气压缩机40之前去除电解过程中的废热。分离的水被再引入至少是电解器10之前可被引导至热交换器(未被编号)。
38.阳极侧室120或阴极侧室160中的至少一个可以包括编织网或具有开放通道的板中的至少一个。阳极侧室120或阴极侧室160中的至少一个可以包括可以用作流体流场的膨胀金属板。
39.电解器电源170可被用于向电解器mea施加电压。施加的电压可以小于或等于2伏(v)，或1.2至2伏，或1.5至2伏。电源可以是太阳能电池阵列、直流(dc)电源、风车(如果在地球上)、电池(例如，流动电池)、燃料电池等。
40.分离的氧气流12可被水蒸汽所饱和。分离的氧气流12可被引导至氧气干燥器190，
以在被引导至深空氧气散热器20之前除去该流中的水。氧气干燥器190可以是基于膜的干燥器(诸如中空纤维膜干燥器)。分离的氧气流12可以在进入氧气干燥器190之前流经热交换器188。在氧气干燥器190中，分离的氧气流12可以在壳侧流动，吹扫气体(purge gas)可以在膜的内部流动，并且来自分离的氧气流12的水蒸汽可以跨膜扩散以再循环回系统中以形成饱和氧气流186。这里，可以通过膨胀通过限流器的滑流来冷却氧，以提高氧气干燥器190的除水效率。干燥后，基于流的总重量，分离的氧气流12可包含小于或等于百万分之三十(按重量计)的水。
41.如图2所示，饱和氧气流186可与来自氢气相分离器194的氢气流202和来自液化处理的第三加热氢气流54的氢混合。根据需要，可以在一个或多个单元的上游以各种方式组合相应的氢气流。例如，为了保存这些水，可以将一个或多个氢气流引导至催化反应器192以将任何残余氧与氢结合以产生水。一个或多个氢气流可被引导至再生式热交换器196，其中气体温度可在进入催化反应器192之前升高至水饱和温度以上。基于催化反应器192入口处气流的总重量，氢中氧的浓度可以小于2.3重量百分比。在催化反应器192中，氢和氧可以结合以形成水蒸汽。离开催化反应器192，氢和水流可被引导至再生式热交换器196，其中反应热可对进入的氢气流进行加热。离开再生式热交换器196，在分离的氢气流被引导至电化学氢气压缩机40之前，氢和水流可以被引导至低压氢气相分离器198。此外，被用于净化氢气干燥器290的氢气可被引导至低压氢气相分离器198。氢气干燥器290可以是基于膜的干燥器。而不是膨胀产品气体和处理冷的吹扫流，吹扫气体可以从作为第三加热氢气流54从液化处理返回的氢中取出。来自氢气干燥器290的吹扫气体和水蒸汽可流向低压氢气相分离器198，并可回收高达百分之百重量的水和吹扫气体。
42.图2示出了分离的氢气流16、第三加热氢气流54和附加的氢气流可以被引导到电化学氢气压缩机40的低压室220，以在电化学氢气压缩机40的阳极侧形成富氢气体混合物。低压室220中的压力可以是大气压、亚大气压或0.2千帕(kpa)到50兆帕(mpa)，或100千帕到5mpa，或0.1到1mpa。应当注意，低压室220中的压力上限可由膜的压力阈值限制，其中超过压力阈值的膜可以发生机械故障。
43.低压室220中的富氢气体混合物可被暴露于压缩机mea。压缩机mea可以利用较小电压将氢从压缩机mea的低压阳极侧电化学地压缩到压缩机mea阴极侧的高压。电化学反应的还原电位可以用恩斯特方程表征，并且可以携带与理想等温压缩所需的等效值。可施加附加的较小电压以满足压缩机质子交换膜240的欧姆电阻，以加速电极上的催化作用。氢可以与水一起从电池的阴极析出，水与质子一起跨压缩机质子交换膜240而被输送。输送的水可以液态形式从阴极流出，并且高压氢气体可以在高压室260的工作压力和温度下被水蒸汽所饱和。
44.低压室220中的富氢混合气体与压缩机mea接触。压缩机mea可包括压缩机质子交换膜240，其具有催化电极、压缩机阳极230和压缩机阴极250，被定位于任一侧以促进电化学半反应。来自与阳极接触的低压室220的氢可以通过电化学反应(1)分解为质子和电子。
45.h2→
2h
+
+2e-ꢀꢀꢀ
(1)
46.由于所施加电压的极性，从反应(1)形成的质子可以跨压缩机质子交换膜240而被驱动，并且从反应(1)形成的电子可以通过外部电路进行总线连接。然后，通过压缩机质子交换膜240驱动的质子可以在压缩机mea的压缩机阴极250处与通过电化学反应(2)从外部
电路进行总线连接的电子结合。
47.2h
+
+2e-→
h2ꢀꢀꢀ
(2)
48.压缩机电源270可被用于向压缩机mea施加电压。所施加的电压可以小于或等于1伏(v)，或小于或等于0.8伏，小于或等于0.5伏，或0.01至0.2伏。电源可以是太阳能电池阵列、直流(dc)电源、风车(如果在地球上)、电池(例如，流动电池)、燃料电池等。
49.图2示出了可以在高压室260中收集氢。高压室260或低压室220中的至少一个可以包括编织网或具有开放通道或孔的板中的至少一个。例如，电池的低压侧可以包括多孔板，以在高压差下为膜提供支撑。高压室260或低压室220中的至少一个可以包括可以用作流体流场的膨胀的金属板。
50.在高压室260的温度和压力下，重整后的氢可以被水蒸汽所饱和。高压室260中的压力可以是5到100mpa，或10到50mpa，或10到20mpa，其中应当注意的是，高压室260中的最大压力可以仅由高压室260的机械稳健性和压缩机mea承受跨压缩机质子交换膜240的压差的能力来限制。
51.可以通过定位于氢气干燥器290上游的相分离从高压室260回收一定量的液态冷凝水。例如，可以通过将回收水从氢气干燥器290引入电化学氢气压缩机40来回收冷凝水。这里，从氢气干燥器290流出的加湿的氢可以被交付到相分离器198，并且干燥氢42可以被交付到第一复热式热交换器50。
52.电化学氢气压缩机40还可以包括去除溶解气体和任何无法被泵送的非溶解气体(例如，氮或氢)的排放系统。例如，电化学氢气压缩机40的阳极侧可以并入放气装置294。如果最初溶解在给水中的气体(诸如，氮气)的浓度增加，则放气装置294可将其从子系统中排出。例如，排放气流中的氢可以与通过喷射器引入的氧结合，并送入催化氧化器，并且可以收集液态水并经过泵返回电解器10。惰性气体和少量水蒸汽可以从放气装置294中排出。
53.电极(电解器阳极130、电解器阴极150、压缩机阳极230或压缩机阴极250)可以各自独立地与相应的质子交换膜直接物理接触，并且可以覆盖质子交换膜的相应表面积的90％到100％。每个电极可以独立地包括催化剂层。催化剂层可包含铂、钯、铑、碳、金、钽、钨、钌、铱、锇或银中的至少一种。催化剂可以包含结合催化剂。粘合剂可包含含氟聚合物或颗粒碳中的至少一种。催化剂和可选粘合剂可被直接沉积在质子交换膜的表面。催化剂可被布置在气体扩散层上，使其定位于整个气体扩散层或与质子交换膜接触的气体扩散层的表面上。气体扩散层可以是多孔的。气体扩散层可以是网格。气体扩散层可以包括石墨材料。气体扩散层可以包括多个纤维，诸如碳纤维。气体扩散层可以是导电的。
54.相应的质子交换膜可各自独立地包括电解质，诸如质子传导离聚体或离子交换树脂中的至少一种。质子导电离聚物可以包括与碱金属盐、碱土金属盐、质子酸或质子酸盐中的至少一种复合的聚合物。复合的聚合物可包含聚醚、聚酯、聚酰亚胺或聚氧乙烯(诸如聚乙二醇、聚乙二醇单醚或聚乙二醇二醚)中的至少一种。
55.电化学氢气压缩机40的压缩机质子交换膜240可以包含与电解器10的电解器质子交换膜140相同或不同的材料。例如，相应的质子交换膜可以各自独立地包含离聚物型聚电解质，该离聚物型聚电解质包含疏水主链上的一定量的离子基团或疏水主链外的悬挂基团，诸如碳氢和氟碳化合物型树脂。碳氢型离子交换树脂可包含酚醛树脂或聚苯乙烯中的至少一种。碳氢型离子交换树脂可以是磺化的，例如，磺化的聚氧化二甲苯。碳氢型离子交
换树脂可包含质子导电分子，例如，富勒烯分子、碳纤维或碳纳米管中的至少一种。质子导电分子可包含质子解离基团，例如-oso3h、-opo(oh)2、-cooh、-oh、-so3h、-c6h4或-so3h中的至少一个。质子传导分子可以单独形成质子交换膜，或者可以与粘合剂聚合物(诸如含氟聚合物(例如，聚氟乙烯(诸如聚四氟乙烯)或聚偏氟乙烯))或聚乙烯醇中的至少一种)的混合物存在。由于在电化学氢气压缩机40中的质子交换膜中不存在大量氧，因此对氧化的关注度较低，并且质子交换膜可以包含碳氢型离子交换树脂。
56.氟碳型离子交换树脂可包括四氟乙烯-全氟磺酰基乙氧基乙烯基醚或四氟乙烯-羟基(全氟乙烯基醚)共聚物中至少一种的水合物。氟碳型离子交换树脂可以具有磺酸、羧酸或磷酸功能中的至少一种。氟碳型离子交换树脂可以是磺化的氟聚合物(诸如全氟乙烯磺酸的锂盐)。氟碳型离子交换树脂的示例是可从dupont公司市售的nafiontm。
57.以下是本公开的非限制性方面。
58.方面1：一种水电解和低温氢气液化系统，包括：与电解器的阳极侧室流体连通的水流；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；深空氧气散热器，经过分离的氧气流与电解器的阳极侧室流体连通；低温热交换器，包括经过已冷却氧气流与深空氧气散热器流体连通的储氧罐；电化学氢气压缩机，经过分离的氢气流与阴极侧室流体连通；储氢罐，经过由至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器冷却的已冷却氢气流与电化学氢气压缩机流体连通；其中，冷却氢气流的至少一部分与膨胀阀和定位于膨胀阀下游的低温热交换器第一流体连通；其中，储氢罐经过由至少一个复热式热交换器加热的已加热氢气流与电化学氢气压缩机第二流体连通；并且其中低温热交换器经过热交换氢气流与加热氢气流流体连通。
59.方面2：根据方面1的系统，其中电化学氢气压缩机包括低压室、高压室以及定位于低压室和高压室之间的压缩机膜和电极组件；其中，分离的氢气流与低压室流体连通，并且其中已冷却氢气流与高压室流体连通。
60.方面3：根据上述任何一个或多个方面的系统，其中膨胀阀是焦耳-汤姆孙阀。
61.方面4：根据上述任何一个或多个方面的系统，还包括定位于储氧罐上游的已冷却氧气流沿线的氧气膨胀阀；其中，氧气膨胀阀可选为焦耳-汤姆孙阀。
62.方面5：根据上述任何一个或多个方面的系统，还包括沿着已冷却氢气流定位于储氢罐上游的储氢膨胀阀；其中，储氢膨胀阀可选为焦耳-汤姆孙阀。
63.方面6：根据上述任何一个或多个方面的系统，其中至少一个复热式热交换器包括第一复热式热交换器、第二复热式热交换器和第三复热式热交换器；其中，第一复热式热交换器经过已压缩氢气流与电化学氢气压缩机第一流体连通；其中，深空氢气散热器经过第一降温氢气流与第一复热式热交换器第一流体连通；其中，第二复热式热交换器经过散热器已冷却氢气流与深空氢气散热器第一流体连通；并且其中，第三复热式热交换器经过进一步降低温度的氢气流与第二复热式热交换器第一流体连通；其中，储氢罐经过最终降温的氢气流与第三复热式热交换器第一流体连通；并且其中，已冷却氢气流包括已压缩氢气流、第一降温氢气流、散热器已冷却氢气流、进一步降温的氢气流和最终降温的氢气流。
64.方面7：根据方面6的系统，其中已加热氢气流包括氢循环流、第一加热氢气流、第二加热氢气流和第三加热氢气流；其中，储氢罐经过氢循环流与第三复热式热交换器第二流体连通；其中，第三复热式热交换器经过第一加热氢气流与第二复热式热交换器第二流
体连通；其中，第二复热式热交换器经过第二加热氢气流与第一复热式热交换器第二流体连通；并且其中，第一复热式热交换器经过第三加热氢气流与电化学氢气压缩机第二流体连通。
65.方面8：根据上述任何一个或多个方面的系统，还包括分离的氧气流定位于深空氧气散热器上游的干燥器。
66.方面9：根据上述任何一个或多个方面的系统，还包括与至少一个复热式热交换器或电解器、以及与电化学氢气压缩机流体连通的催化反应器。
67.方面10：根据上述任何一个或多个方面的系统，其中低温热交换器是壳管式热交换器。
68.方面11：一种用于电解水并从中低温形成液氧的方法，例如，使用上述方面的任何一个或多个系统，包括：将水流引导至电解器的阳极侧室或阴极侧室中的至少一个；电解器包括阳极侧室、阴极侧室以及定位于阳极侧室和阴极侧室之间的电解器膜和电极组件；将分离的氧气流从电解器的阳极侧室引导至深空氧气散热器；将已冷却氧气流从深空氧气散热器引导至低温热交换器的储氧罐；将分离的氢气流从阴极侧室引导至电化学氢气压缩机；将已冷却氢气流从电化学氢气压缩机引导至储氢罐，并在储氢罐上游的至少一个复热式热交换器和至少一个深空氢气散热器中对已冷却氢气流进行冷却；在膨胀阀中膨胀已冷却氢气流的至少一部分以形成制冷剂氢气流，并将制冷剂氢气流引导至低温热交换器；将已加热氢气流从储氢罐引导至电化学氢气压缩机，并经过至少一个复热式热交换器来对已加热氢气流进行加热；以及将热交换氢气流从低温热交换器引导至电化学氢气压缩机上游的已加热氢气流。
69.方面12：根据方面11的方法，其中电化学氢气压缩机包括低压室、高压室以及定位于低压室和高压室之间的压缩机膜和电极组件；其中，该方法包括将分离的氢气流引导至低压室并从高压室引导已冷却氢气流。
70.方面13：根据方面11至12中的任何一个或多个的方法，其中膨胀阀为焦耳-汤姆孙阀。
71.方面14：根据方面11至13中的任何一个或多个的方法，还包括经过氧气膨胀阀对储氧罐的上游的已冷却氧气流进行膨胀；其中，氧气膨胀阀可选为焦耳-汤姆孙阀。
72.方面15：根据方面11至14中的任何一个或多个所述的方法，还包括经过储氢膨胀阀对储氢罐的上游的已冷却氢气流进行膨胀；其中，氧气膨胀阀可选为焦耳-汤姆孙阀。
73.方面16：根据方面11到15中的任何一个或多个的方法，其中至少一个复热式热交换器包括第一复热式热交换器、第二复热式热交换器和第三复热式热交换器；并且其中，该方法还包括：在第一复热式热交换器中冷却已压缩氢气流以形成第一低温氢气流；在深空氢气散热器中冷却第一降温氢气流以形成散热器已冷却氢气流；在第二复热式热交换器中冷却散热器已冷却氢气流，以形成进一步降温氢气流；以及在第三复热式热交换器中冷却进一步降温氢气流以形成最终降温氢气流；其中，已冷却氢气流包括已压缩氢气流、第一降温氢气流、散热器已冷却氢气流、进一步降温氢气流和最终降温氢气流。
74.方面17：方面16的方法，其中已加热氢气流包括氢循环流、第一加热氢气流、第二加热氢气流和第三加热氢气流；并且其中，该方法还包括：从储氢罐中去除氢循环流；在第三复热式热交换器中加热氢循环流以形成第一加热氢气流；在第二复热式热交换器中加热
第一加热氢气流以形成第二加热氢气流；在第一复热式热交换器中加热第二加热氢气流以形成第三加热氢气流；以及将第三加热氢气流引导至电化学氢气压缩机。
75.方面18：根据方面11至17中的任何一个或多个的方法，还包括在将分离的氧气流引导至深空氧气散热器之前在干燥器中干燥分离的氧气流。
76.方面19：根据方面11至18中的任何一个或多个的方法，还包括将已加热氢气流或来自分离的氧气流中的分离的水蒸气流从引导至催化反应器，以形成还原的氧气流；以及将还原的氧气流引导至电化学氢气压缩机。
77.方面20：根据方面11至19中的任何一个或多个的方法，其中低温热交换器是壳管式热交换器。
78.所述组合物、方法和物品可替代地包括、包含或基本上包含本文所公开的任何适当材料、步骤或组件。组合物、方法和制品可以附加地或可替选地被配制成不含或基本上不含任何材料(或物种)、步骤或组件，否则对于实现组合物、方法和制品的功能或目标来说是不必要的。
79.如本文所用，“一”、“一个”、“该”和“至少一个”不表示数量限制，并且旨在涵盖单数和复数，除非上下文另有明确指示。例如，“一个元素”的含义与“至少一个元素”相同，除非上下文另有明确指示。术语
“……
的至少一个”意味着列表单独包括每个元素，以及列表的两个或多个元素的组合，以及列表的至少一个元素与未命名的类似元素的组合。此外，术语“组合”包括混合体、混合物、合金、反应产物等。
80.除非上下文另有明确说明，否则术语“或”是指“和/或”。在整个说明书中，对“一个方面”、“一个实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”等的引用意味着结合实施例描述的特定元件(例如，特征、结构、步骤或特性)包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可以在其他实施例中存在，也可以不存在。此外，应当理解，在各种实施例中，可以以任何适当的方式组合所述元件。
81.指向同一组件或属性的所有范围的端点包括端点，可以独立组合，并包括所有中间点和范围。例如，“高达25wt％或5至20wt％”的范围包括端点和“5至25wt％”范围的所有中间值，诸如10至23wt％等。
82.除非另有定义，否则本文中使用的技术和科学术语的含义与本公开所属领域的技术人员通常理解的含义相同。
83.将所有援引的专利、专利申请和其他参考文件通过参考全部并入本文。然而，如果本技术中的术语与合并参考文件中的术语相矛盾或冲突，则本技术中的术语优先于并入参考文件中的冲突术语。
84.虽然已经描述了特定实施例，但申请人或本领域技术人员可以产生目前无法预见的替代方案、修改、变化、改进和实质等效物。因此，所提交的以及可以被修改的所附权利要求旨在包含所有此类替代方案、修改、变化、改进和实质等效物。