基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统的制作方法

本发明涉及月球基地能源供应技术领域，具体涉及一种基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统。

背景技术：

通常我们把在月球上建立的可供人类长期居住、生活以及开展各种技术试验、科学研究和资源开发的所有基础设施统称为月球基地。月球基地在月面上必须有能源动力的支持，才能为月球基地本体、航天员、月球车、各类科学仪器设备和作业工具、通信导航设施等提供基本保障。

在空间站工程中，通过采用大型太阳能电池阵技术来提供航天器所需的能源和动力；在短期的载人登月任务中，登月飞船采用氢氧燃料电池进行供电。而对于长期月球基地任务而言，由于有航天员的参与，需要提供生命保障和健康支持系统，使得月球基地的设备和仪器增多，能源需求量显著增加，单一的供能方式无法满足月球基地能源需求，且不能保证基地能源的稳定供应，因此能源问题成为一个突出的问题，需依靠多种供能方式才能满足需求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决长期月球基地任务中存在的能源需求量显著增加，单一的供能方式无法满足月球基地能源需求，且不能保证基地能源的稳定供应问题，而提供一种基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统。

国外勘测发现月球南极地区的永久阴影区存在着水冰，据估计最少有6亿吨，水冰既可以净化为饮用水，也可对其进行分解获得氢和氧，其中氢气和氧气既可以用来发电，也可作为发动机推进剂，氧气还可供航天员呼吸。因此，将这些水冰资源采用原位制取的方法加以利用，通过光解水和氢氧-水转换技术可实现空间水-氢/氧-电的高效转化，以解决月夜无光照时月球基地的能源供应问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统，其特殊之处在于：

包括太阳能光伏发电单元、电源管理单元、水贮箱、光解水单元、氢氧存储单元、氢氧-水转换单元、状态监测单元、化学推进单元、环控生保单元及负载；

所述太阳能光伏发电单元的电能输出端接电源管理单元的电能输入端；

所述光解水单元包括电解池、质子交换膜、产氢电极、产氧电极和聚光器；所述质子交换膜设置在电解池内，并将电解池左右分隔为产氢室和产氧室；所述产氧室的进水口接水贮箱的出水口；所述产氢电极和产氧电极分别设置在产氢室和产氧室内；所述聚光器设置在产氧室上方，用于收集太阳光；

所述氢氧存储单元包括氢气水汽分离器、氢贮箱、氧气水汽分离器和氧贮箱；所述光解水单元的产氢室出气口接氢气水汽分离器的进气口，氢气水汽分离器的出气口接氢贮箱的进气口，氢气水汽分离器的出水口接水贮箱的进水口；所述光解水单元的产氧室出气口接氧气水汽分离器的进气口，氧气水汽分离器的出气口接氧贮箱的进气口，氧气水汽分离器的出水口接水贮箱的进水口；

所述氢氧-水转换单元为分体式的氢氧燃料电池和电解水装置，或者一体式可再生燃料电池；

所述氢氧燃料电池的氢气进口接氢贮箱的出气口，其氧气进口接氧贮箱的出气口，其出水口接水贮箱的进水口，其电能输出端接电源管理单元的电能输入端；所述电解水装置的电能输入端接电源管理单元的电能输出端，其进水口接水贮箱的出水口，其氢气出口接氢贮箱的进气口，其氧气出口接氧贮箱的进气口；

所述一体式可再生燃料电池的氢气进出口与氢贮箱连接，其氧气进出口与氧贮箱连接，其进出水口与水贮箱连接，其电能输入输出端与电源管理单元连接；

所述化学推进单元以氢氧为燃料提供动力，其氢气进口接氢贮箱的出气口，其氧气进口接氧贮箱的出气口，其电能输入端接电源管理单元的电能输出端；

所述环控生保单元用于对月球基地生存环境进行控制和保障，其氧气进口接氧贮箱的出气口，其电能输入端接电源管理单元的电能输出端，其出水口接水贮箱的进水口；

所述负载的电能输入端接电源管理单元的电能输出端；

所述状态监测单元用于对太阳能光伏发电单元、水贮箱、氢氧存储单元、环控生保单元、化学推进单元以及负载的工作状态进行监测，并将用电需求反馈给电源管理单元；

所述电源管理单元根据状态监测单元反馈的用电需求进行供电。

进一步地，所述氢氧存储单元还包括氢增压泵和氧增压泵；所述氢增压泵的进气口接氢气水汽分离器的出气口，其出气口接氢贮箱的进气口；所述氧增压泵的进气口接氧气水汽分离器的出气口，其出气口接氧贮箱的进气口。

进一步地，所述太阳能光伏发电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和逆变器；所述太阳能电池板将太阳能直接转换成电能，并通过太阳能控制器将一部分电能储存在蓄电池内；所述逆变器将太阳能电池板和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电后，向外输出电能。

进一步地，所述产氧电极由自偏压pn结和半导体光阳极耦合串联而成。

进一步地，所述的氢贮箱和氧贮箱的额定存储压力为2mpa-8mpa。

本发明的有益效果是：

本发明提出的基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统，当光照充足时，一方面利用太阳能光伏发电单元进行发电储能，另一方面利用光解水单元制氢制氧，并将氢氧贮存起来，为月球基地储备能量和提供氧气；当月夜无光照时，一方面可以利用太阳能光伏发电单元贮存的能量继续进行供能，另一方面也可将贮存的氢氧供给氢氧-水转换单元进行发电供能，保证月球基地的能源稳定供应；当需要的氢氧气量较大时，可同时利用光解水单元和氢氧-水转换单元进行制氢制氧，当有动力需求时，产生的氢氧可供给发动机产生推力。

太阳能光伏发电为月球基地能源的主要供应方式，氢氧-水转换发电为能源的辅助应急供应方式，光解水制氢是太阳能光化学转化与储存的最好途径，本发明将光解水单元和氢氧-水转换单元相结合，可实现空间水-氢/氧-电的高效转化，有效解决了月夜无光照时月球基地的能源稳定供应问题。

附图说明

图1是本发明基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统的结构框图；

图2是本发明中太阳能光伏发电单元的结构框图；

图3是本发明中水贮箱的结构示意图；

图4是本发明中光解水单元的结构示意图；

图5是本发明中氢氧存储单元的工作过程示意图；

图6是本发明中一体式可再生燃料电池的工作过程示意图。

图中，1-水贮箱，2-太阳能光伏发电单元，3-电源管理单元，4-光解水单元，5-氢氧-水转换单元，6-状态监测单元，7-氢氧存储单元，8-化学推进单元，9-环控生保单元，10-负载，11-进水阀，12-出水阀，13-太阳能电池板，14-太阳能控制器，15-蓄电池，16-逆变器，17-聚光器，18-产氢电极，19-产氧电极，20-电解池，21-质子交换膜，22-产氢室，23-产氧室，24-氢气水汽分离器，25-氧气水汽分离器，26-氢增压泵，27-氧增压泵，28-氢贮箱，29-氧贮箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于光解水制氢技术的月球基地能源供应及应用系统作进一步详细说明。

如图1所示，该系统包括太阳能光伏发电单元2、电源管理单元3、水贮箱1、光解水单元4、氢氧存储单元7、氢氧-水转换单元5、状态监测单元6、化学推进单元8、环控生保单元9及负载10。太阳能光伏发电单元2和氢氧-水转换单元5可产生电能，光解水单元4和氢氧-水转换单元5可产生氢气和氧气。

如图2所示，太阳能光伏发电单元2包括太阳能电池板13、太阳能控制器14、蓄电池15和逆变器16。太阳能电池板13将太阳能直接转换成电能，供负载10等使用或储存于蓄电池15内备用。太阳能控制器14将太阳能电池板13产生的一部分电能储存在蓄电池15内，太阳能控制器14可为蓄电池15提供最佳的充电电流和电压，以便快速、平稳、高效地为蓄电池15充电。逆变器16将太阳能电池板13和蓄电池15提供的低压直流电逆变成220伏交流电后，向外输出电能。太阳能光伏发电单元2的电能输出端接电源管理单元3的电能输入端，通过电源管理单元3向氢氧-水转换单元5、状态监测单元6、化学推进单元8、环控生保单元9及负载10等供电。

如图3所示，水贮箱1的水主要通过原位制取技术获得，用于向光解水单元4和氢氧-水转换单元5供水。水贮箱1顶部设置有进水口，该进水口的连接管路上设置有进水阀11，用于控制水的加注；水贮箱1底部设置有出水口，该出水口的连接管路上设置有出水阀12，用于控制水的输出。

如图4所示，光解水单元4包括电解池20、质子交换膜21、产氢电极18、产氧电极19和聚光器17。质子交换膜21设置在电解池20内，并将电解池20左右分隔为产氢室22和产氧室23，产氧室23的进水口接水贮箱1的出水口。产氢电极18和产氧电极19分别设置在产氢室22和产氧室23内，并浸入电解液中。产氧电极19由自偏压pn结和半导体光阳极耦合串联而成，能够实现在无外加电能输入条件下制氢制氧。聚光器17设置在产氧室23上方，用于收集太阳光。在光照和一定自偏压下，水开始光解，氢离子通过质子交换膜21进入产氢室22，产氢电极18和产氧电极19分别产生氢气和氧气，光解水单元4产生的氢气和氧气存储在氢氧存储单元7中。

如图5所示，氢氧存储单元7包括氢气水汽分离器24、氢增压泵26、氢贮箱28、氧气水汽分离器25、氧增压泵27和氧贮箱29。氢贮箱28和氧贮箱29的额定存储压力为2mpa-8mpa。光解水单元4的产氢室22出气口接氢气水汽分离器24的进气口，氢气水汽分离器24的出气口接氢贮箱28的进气口，氢气水汽分离器24的出水口接水贮箱1的进水口；光解水单元4的产氧室23出气口接氧气水汽分离器25的进气口，氧气水汽分离器25的出气口接氧贮箱29的进气口，氧气水汽分离器25的出水口接水贮箱1的进水口；氢增压泵26的进气口接氢气水汽分离器24的出气口，其出气口接氢贮箱28的进气口；氧增压泵27的进气口接氧气水汽分离器25的出气口，其出气口接氧贮箱29的进气口。

氢氧-水转换单元5可以为分体式的氢氧燃料电池和电解水装置，或者为一体式可再生燃料电池。

采用分体式的氢氧燃料电池和电解水装置的形式时，氢氧燃料电池的氢气进口接氢贮箱28的出气口，其氧气进口接氧贮箱29的出气口，其出水口接水贮箱1的进水口，其电能输出端接电源管理单元3的电能输入端。电解水装置的电能输入端接电源管理单元3的电能输出端，其进水口接水贮箱1的出水口，其氢气出口接氢贮箱28的进气口，其氧气出口接氧贮箱29的进气口。

如图6所示，本实施例采用一体式可再生燃料电池的形式，一体式可再生燃料电池的水电解功能和燃料电池功能由同一组件完成，其氢气进出口与氢贮箱28连接，其氧气进出口与氧贮箱29连接，其进出水口与水贮箱1连接，其电能输入输出端与电源管理单元3连接。

当氢氧需求量较大时，将水贮箱1中的水输入氢氧-水转换单元5中，在电能的作用下将水电解成氢氧并存储到氢氧存储单元7中；当用电量需求较大时，将氢氧存储单元7中的氢氧通入氢氧-水转换单元5中，通过燃料电池的功能产生电能，并通过电源管理单元3对外供电。

由光解水单元4光解或由氢氧-水转换单元5电解出来的氢气和氧气分别通过氢气水汽分离器24和氧气水汽分离器25进行水气分离，分离出来的水重新返回水贮箱1内，分离出来的氢气和氧气分别贮存到氢贮箱28和氧贮箱29内。当光解水单元4光解或氢氧-水转换单元5电解出来的氢气压力高于氢贮箱28内的压力时，产生的氢气直接贮存到氢贮箱28内；当光解水单元4光解或氢氧-水转换单元5电解出来的氢气压力低于氢贮箱28内的压力时，产生的氢气需通过氢增压泵26增压后贮存到氢贮箱28内。同理，当光解水单元4光解或氢氧-水转换单元5电解出来的氧气压力高于氧贮箱29内的压力时，产生的氧气直接贮存到氧贮箱29内；当光解水单元4光解或氢氧-水转换单元5电解出来的氧气压力低于氧贮箱29内的压力时，产生的氧气需通过氧增压泵27增压后贮存到氧贮箱29内。

化学推进单元8以氢氧为燃料，为月球表面交通工具提供动力或为月球表面发射探测器提供动力，其氢气进口接氢贮箱28的出气口，其氧气进口接氧贮箱29的出气口，其电能输入端接电源管理单元3的电能输出端。

环控生保单元9是能够为航天员创造一个适居的生存环境并提供必要物质条件的一套完善的环境控制与生命保障系统，环控生保单元9的氧气进口接氧贮箱29的出气口，其电能输入端接电源管理单元3的电能输出端，其出水口接水贮箱1的进水口。

负载10是指月球基地上各种需要提供能源的仪器设备统称，其电能输入端接电源管理单元3的电能输出端。

状态监测单元6用于对太阳能光伏发电单元2、水贮箱1、氢氧存储单元7、环控生保单元9、化学推进单元8以及负载10的工作状态进行监测，并将用电需求反馈给电源管理单元3。

电源管理单元3根据状态监测单元6反馈的用电需求决定采用哪种方式进行供电。太阳能光伏发电为月球基地能源的主要供应方式，氢氧-水转换发电为能源的辅助应急供应方式。