一种光解水制氢装置及月球基地能源供应系统的制作方法

1.本发明涉及一种月球基地能源供应系统，具体涉及一种光解水制氢装置及基于该光解水制氢装置的月球基地能源供应系统。


背景技术：

2.随着宇航动力技术的不断发展，人类进出空间的能力在不断提高，未来空间活动的深度和广度也必将达到一个全新的高度。作为距离地球最近的地外星体，月球不仅是人类走向深空的中转站，还具有重要的科研价值，其战略意义不言而喻。
3.随着我国探月工程四期任务的批复，月球基地的建设已成为下一阶段空间探索领域的重要发展方向之一。除了自身环控生保系统以外，月球基地建设还需要满足对地通信、原位制造、月面巡航等任务的能耗需求。因此，能源供应是月球基地建设首要考虑的问题，其系统方案很大程度上决定了月球基地的运行模式、建设规模及成本，是月球基地设计的一项核心关键技术。然而，考虑到建设成本等因素，实际可选择的技术路线并不多，地球上常见的火电、水电、风电等规模化能源供应方式均不适用。
4.对于长期有人驻守或者昼夜连续执行原位制造等能耗较大任务的月球基地，必须考虑能量密度高、环境适应性强的能源供给形式，在这一方面，核能具有绝对优势。目前，国外依靠在核反应堆小型化方面的优势，提出了多个月面核电站方案，并已将研究的重点聚焦在了电功率约40kwe、采用斯特林转换的星表裂变电源(fsp)方案和电功率为1-10kwe的kilopower空间核电源方案。国内也在论证适用于月球基地或火星基地的100kwe核反应堆电源系统方案。然而，为了避免对环境的污染和对人员的辐射伤害，反应堆必须考虑对中子的屏蔽防护；为确保堆体的安全、提高能源的转换效率，冷却工质多采用导热性能好、热容大的液态金属，甚至需要进行多级冷却，这些必要的设计导致核电源系统具有较大的重量。
5.对于不执行原位制造等耗能较大任务的初级阶段无人月球基地或科研站，可以采用基于太阳能的能源供应系统方案。通常情况下，该系统主要由光伏发电系统和储能系统(如蓄电池或燃料电池)等组成，其重量主要来源于储能系统。相对于电储能和热储能，氢氧储能在储能密度和储能材料的重量等方面具有先天优势，氢氧燃料电池已逐渐成为未来空间储能的技术发展趋势之一。由于氢氧来源于水，水又是月球基地环控生保系统的重要物质，以水为基础物质的能源供应系统能较为容易地实现与月球基地环控生保系统的紧耦合。此外，未来有望通过原位制造技术在月球表面获得水，与一次性携带的方式相比，能够显著降低系统建设的成本。因此，采用水
→
氢/氧
→
燃料电池
→
水的循环方式具有显著优势，可实现物质的循环利用，满足系统长期稳定运行的要求。
6.然而，即使如此，基于光伏的能源供应系统方案仍存在不足，单纯的光伏技术存在太阳能利用率低、能量转化形式单一的问题，无法满足月夜期间多元化的能源需求。因此，需提出一种系统的方案来解决上述问题。


技术实现要素：

7.为了解决现有的光伏能源供应系统因对太阳能利用率低、能量转化形式单一，而导致其无法满足月夜期间多元化能源需求的技术问题，本发明提供一种光解水制氢装置及基于该装置的月球基地能源供应系统，该系统可以实现月夜期间向月球基地提供电能、氧气、热水等功能。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
9.一种光解水制氢装置，其特殊之处在于，包括光解水制氢单元和设置在光解水制氢单元周向的多个聚光单元；
10.所述光解水制氢单元包括壳体、上顶盖、光阳极、中心体及集水器；
11.所述壳体靠近下端面的内侧设有第一集液腔和第二集液腔；所述壳体靠近上端面内侧设有第三集液腔；所述上顶盖与壳体上端连接，且两者之间围成第四集液腔；所述第一集液腔、第二集液腔、第三集液腔及第四集液腔均绕壳体的中心轴线呈环形设置；所述壳体下端沿径向设有多个第一进水口和第二进水口，所述第一进水口与第一集液腔连通，所述第二水口与第二集液腔连通；
12.所述光阳极位于壳体周向表面，且与壳体之间形成空腔；所述空腔内设有质子交换膜，质子交换膜将空腔分割成外侧的产氢室和内侧的产氧室；
13.所述产氢室与第一集液腔之间设有第一入口分流孔，与第四集液腔之间设有第一出口分流孔；
14.所述产氧室与第二集液腔之间设有第二入口分流孔，与第三集液腔之间设有第二出口分流孔；
15.所述中心体同轴设置在壳体内，中心体上端与上顶盖连接，下端与壳体连接；所述中心体外侧与壳体、上顶盖之间围成氧气-水分离腔，所述氧气-水分离腔与第三集液腔之间设有第一切向旋流孔；所述中心体内侧与上顶盖之间围成氢气-水分离腔，氢气-水分离腔与第四集液腔之间设有第二切向旋流孔；
16.所述中心体下端沿轴向设有第一出水口，所述集水器的集水腔下端固定于第一出水口内；所述集水腔的上端沿径向设有多个集水孔，所述集水孔连通氢气-水分离腔和集水腔；
17.所述壳体下端沿轴向设有第二出水口和第三出水口，所述第二出水口与氧气-水分离腔连通，第三出水口与第一出水口连通；
18.所述上顶盖下端设有集气腔；集气腔沿径向设有多个进气孔；所述上顶盖上端设有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口与集气腔连通，第二出气口与氧气-水分离腔连通；
19.所述聚光单元周向设置于光阳极外侧，用于将太阳光聚集于光阳极上。
20.进一步地，所述壳体为中空的正棱台结构，且正棱台结构的大端朝上且与上顶盖连接，壳体的侧面与壳体中心轴线的夹角为15-25
°
。
21.进一步地，所述氧气-水分离腔内设有第一气液分离膜，第一气液分离膜固定于壳体上端与中心体的中部之间；所述氢气-水分离腔内设有第二气液分离膜，第二气液分离膜固定于中心体上端与集气腔下端之间。
22.进一步地，所述氧气-水分离腔内还设有第三气液分离膜，第三气液分离膜固定于
壳体上端与中心体的下端之间；
23.所述氢气-水分离腔内还设有第四气液分离膜，第四气液分离膜固定于中心体上端与集水器上端之间。
24.进一步地，所述聚光单元包括多个反射镜。
25.进一步地，所述第一入口分流孔、第一出口分流孔、第二入口分流孔及第二出口分流孔为矩形孔。
26.进一步地，所述第一气液分离膜和第二气液分离膜为疏水性气液分离膜。
27.此外，本发明还提供一种基于光解水制氢装置的月球基地能源供应系统，其特征在于：包括贮箱系统、氢氧燃料系统及本发明所述的光解水制氢装置；
28.所述贮箱系统包括水贮箱和气体贮箱，用于贮存光解水制氢装置产生的热水和气体；所述水贮箱的入口连接第二出水口和第三出水口，所述气体贮箱的入口连接第一出气口和第二出气口；
29.所述氢氧燃料系统的入口连接气体贮箱的出口，用于将光解水制氢装置产生的气体转化为电能。
30.进一步地，还包括追光系统，所述追光系统与聚光单元连接，以此提高太阳能的利用率。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
32.1、本发明的光解水制氢装置包括壳体、上顶盖、光阳极、中心体及集水器，可以实现光氢的一步转化，同时在制氢的同时会将水加热，从而实现了氢-热联产，该装置一体化集成度较高，与目前月球基地能源供应系统普遍采用的光伏电解水方案相比，能够充分利用太阳光聚光后各波段的能量，从而能够最大限度的提高月球表面太阳能利用率，进而满足月夜期间多元化的能源需求。
33.2、本发明在光电极的边缘处还设置有光伏板，实现了月昼期间光解水制氢 光伏发电组合的方案，采用光解水技术一步实现光氢的高效转化，采用光伏发电技术一步实现光电的高效转化以满足制氢过程的用电需求，最大限度降低了系统复杂度。
34.3、本发明的月球基地能源供应系统，首次提出了月昼期间光解水制氢 光伏发电组合的方案，采用光解水技术一步实现光氢的高效转化；另外，由于月昼期间，系统必须的泵、压缩机与控制系统等均需要供电，本发明同时结合采用光伏发电技术一步实现光电的高效转化以满足制氢过程的用电需求，以此实现了在储能的同时也可储热，即氢-热联产的思路，提高了系统一体化的集成度，降低了系统的复杂度。
附图说明
35.图1是本发明一种基于光解水制氢装置的月球基地能源供应系统的工作原理图；
36.图2是本发明一种光解水制氢装置实施例中光解水制氢单元的结构示意图；
37.图3是本发明一种光解水制氢装置实施例中光解水制氢单元的俯视图；
38.图4是图3的a-a向剖视图；
39.图5是图4的b-b向剖视图；
40.图6是图4的c-c向剖视图；
41.图7是本发明一种光解水制氢装置实施例中心体的轴向剖视结构示意图；
42.图8是本发明一种光解水制氢装置实施例上顶盖的轴向剖视结构示意图；
43.图9是本发明一种光解水制氢装置实施例集水器的轴向剖视结构示意图；
44.图10是本发明一种月球基地能源供应系统实施例结构示意图。
45.附图标记如下：
46.1-壳体，2-上顶盖，3-光阳极，4-中心体，5-集水器，51-集水腔，511-集水孔，6-第一集液腔，7-第二集液腔，8-第三集液腔，9-第四集液腔，10-第一进水口，101-第二进水口，11-空腔，12-质子交换膜，13-产氢室，14-产氧室，15-第一入口分流孔，16-第一出口分流孔，17-第二入口分流孔，18-第二出口分流孔，19-氧气-水分离腔，191-第一气液分离膜，192-第三气液分离膜，20-第一切向旋流孔，21-氢气-水分离腔，211-第二气液分离膜，212-第四气液分离膜，22-第二切向旋流孔，23-第一出水口，24-第二出水口，25-第三出水口，26-第一出气口，27-第二出气口，28-集气腔，281-进气孔。
具体实施方式
47.如图1所示，本发明提出了一种基于高性能光解水制氢技术的月球基地能源供应系统方案，相比现有的月球基地能源供应方案，本发明采用的光解水制氢技术不仅可以实现较高的光-氢转化效率，还可以相对容易地实现氢-热联产，在储氢的同时循环加热系统中的水，从而实现了水在能量转换、能量储存、能量利用等过程的物质的统一，在提高太阳能利用率的同时进一步增加了系统的耦合性。
48.以下结合附图对本发明一种光解水制氢装置及基于该装置的月球基地能源供应系统的技术方案进行详细说明。
49.结合图2至图9所示，本发明提供了一种光解水制氢装置，该装置包括光解水制氢单元和设置在光解水制氢单元周向的多个聚光单元，聚光单元包括多个反射镜，用于集聚太阳能为光解水制氢单元提供热量。
50.光解水制氢单元包括壳体1、上顶盖2、光阳极3、中心体4及集水器5。本实施例中，壳体1为中空的正棱台结构，且正棱台结构的大端朝上与上顶盖2连接，壳体的侧面与壳体中心轴线的夹角为15-25
°
。
51.壳体1靠近下端面的内侧设有第一集液腔6和第二集液腔7；壳体1靠近上端面内侧设有第三集液腔8；上顶盖2与壳体1上端连接，且两者之间围成第四集液腔9；第一集液腔6、第二集液腔7、第三集液腔8及第四集液腔9均绕壳体1的中心轴线呈环形设置。壳体1下端沿径向设有多个第一进水口10和多个第二进水口101，第一进水口10与第一集液腔6连通，第二进水口101与第二集液腔7连通。
52.光阳极3位于壳体1的周向外侧，且与壳体1之间形成空腔11，光阳极3为催化材料，其可加快水的分解。空腔11内设有质子交换膜12，质子交换膜12将空腔11分割成外侧的产氢室13和内侧的产氧室14。产氢室13位于质子交换膜12靠近光阳极3的一侧，且与第一集液腔6之间设有第一入口分流孔15，与第四集液腔9之间设有第一出口分流孔16。产氧室14位于质子交换膜12远离光阳极3的另一侧，且与第二集液腔7之间设有第二入口分流孔17，与第三集液腔8之间设有第二出口分流孔18。本实施例中，第一入口分流孔15、第一出口分流孔16、第二入口分流孔17及第二出口分流孔18为矩形孔，矩形孔的设计可有效增加产氢室13和产氧室14之间的有效接触面积，进而提升光解水制氢装置的产氢效率。
53.中心体4同轴设置在壳体1内，中心体4上端与上顶盖2连接，本实施例中，二者螺纹连接。中心体4的下端与壳体1连接。中心体4外侧与壳体1、上顶盖2之间围成氧气-水分离腔19，氧气-水分离腔19与第三集液腔8之间设有第一切向旋流孔20，第一切向旋流孔20穿过上顶盖2的内部。中心体4内侧与上顶盖2之间围成氢气-水分离腔21，氢气-水分离腔21与第四集液腔9之间设有第二切向旋流孔22，第二切向旋流孔22穿过上顶盖2的内部。氧气-水分离腔19内设有第一气液分离膜191，用于将氧气和水分离开。氢气-水分离腔21内设有第二气液分离膜211，用于将氢气和水分离开。
54.为了提高气液分离的效果，在氧气-水分离腔19内还设有第三气液分离膜192，第三气液分离膜192固定于壳体1上端与中心体4的下端之间。在氢气-水分离腔21内还设有第四气液分离膜212，第四气液分离膜212固定于中心体4上端与集水器5上端之间。
55.第一气液分离膜191、第二气液分离膜211、第三气液分离膜192及第四气液分离膜212均为疏水性气液分离膜，疏水性气液分离膜采用常规的分离膜即可实现，该设置能够保证氢气或氧气聚集在各自腔体的上部，水则由于重力的作用聚集在各分离腔的下部，进而提高气液的分离速率。
56.中心体4下端设有第一出水口23，本实施例中，集水器5的集水腔51外侧面设有外螺纹，第一出水口23设有内螺纹，二者通过螺纹固定连接。集水腔51的上端沿径向设有多个集水孔511，集水孔511连通氢气-水分离腔21和集水腔51。
57.壳体1下端设有第二出水口24和第三出水口25，第二出水口24与氧气-水分离腔19连通，第三出水口25与第一出水口23连通。
58.上顶盖2下端设有集气腔28，集气腔28与上顶盖2固连，集气腔28沿径向设有多个进气孔281；上顶盖2上端设有第一出气口26和第二出气口27，第一出气口26与集气腔28连通，第二出气口27与氧气-水分离腔19连通。氢气-水分离腔21内的氢气通过进气孔281进入集气腔28，并通过第一出气口26排出被收集。氧气-水分离腔19内氧气通过第二出气口27排出被收集。
59.本发明的光解水制氢装置的工作原理为：
60.低温水分多路分别通过第一进水口10到达第一集液腔6，通过第二进水口101第二集液腔7，第一集液腔6内的低温水通过第一入口分流孔15进入产氢室13，第二集液腔7内的低温水通过第二入口分流孔17进入产氧室14。
61.产氢室13内的水经过光阳极3表面被加热，由于加热是个逐渐升温的过程，因此，部分氢离子会在产氢室13内生成氢气，部分氧离子则通过质子交换膜12到达产氧室14形成氧气。
62.产氢室13内的含氢高温水通过第一出口分流孔16进入第四集液腔9，经第二切向旋流孔22流动旋流使高温水和氢气分开，到达氢气-水分离腔21，由于氢气密度较小，会聚集在氢气-水分离腔21顶部，其通过进气孔281进入集气腔28，并通过第一出气口26排出被收集。高温水下沉，通过集水孔511进入51集水腔内，并经第一出水口23、第三出水口25排出被收集。由于排出的高温水中会含有少量氢气，可以与低温水进行混合后再次进入光解水制氢装置中被循环利用，也可以在二次分离后进入高温水贮箱被贮存，待月昼期间使用。
63.产氧室14内的水刚开始温度较低，经多次循环进出后，温度逐渐升高，之后含氧高温水通过第二出口分流孔18进入第三集液腔8，经第一切向旋流孔20流动旋流使得高温水
和氧气分开，到达氧气-水分离腔19，由于氧气密度较小，会聚集在氧气-水分离腔19顶部，通过第二出气口27排出被收集。高温水下沉通过第二出水口24排出并被收集。由于排出的高温水中会含有少量氧气，可以与低温水进行混合后再次进入光解水制氢装置中被循环利用，也可以在二次分离后进入高温水贮箱被贮存，待月昼期间使用。
64.如图10所示，本发明还提供了一种基于光解水制氢装置的月球基地能源供应系统，包括本发明的光解水制氢装置，还包括依次连接的贮箱系统、氢氧燃料系统。
65.贮箱系统包括水贮箱和气体贮箱，用于贮存光解水制氢装置产生的热水和气体。水贮箱一般包括高温水贮箱及低压水贮箱，低温水贮箱连接高温水贮箱，高温水贮箱同时连接第二出水口24和第三出水口25，进而将光解水制氢装置产生的热水收集。当水温较低或不足以供热时，可通过管道进入低温水贮箱，进而进入光解水制氢装置中进行制氢及制热。
66.气体贮箱一般包括高压氢贮箱、低压氢贮箱、高压氧贮箱及低压氧贮箱，高压氢贮箱连接低压氢贮箱，低压氢贮箱连接第一出气口26，高压氧贮箱连接低压氧贮箱，低压氧贮箱连接第二出气口27。
67.氢氧燃料系统的入口分别低压氢贮箱的出口和低压氧贮箱的出口，用于将光解水制氢装置产生的气体转化为电能。当低压氢贮箱和低压氧贮箱的压力低于一定值时，开启高压氢贮箱和高压氧贮箱的阀门，进而使低压氢贮箱和低压氧贮箱处于一定的安全压力范围内，确保氢氧燃料电池的稳定工作。
68.月昼期间，系统起动后，循环水泵将低温水输送到光解水制氢装置中，聚光器会将太阳光聚焦，并通过光阳极3将光解水制氢装置内的水加热，部分水会被光解成氢气和氧气后进行收集，大部分水会被加热，水的升温速率可以由其流量控制间接实现，流出光解水制氢单元的水会进入高温水贮箱进行储存，由于水温是持续升高，当水温较低或水温不足以供热时，高温水贮箱内的水通过管道进入低温水贮箱，再通过低温水贮箱再次进入光解水制氢装置中进行制氢及加热，随着水温的不断上升，以此实现制氢和储热的同步进行。
69.考虑到该系统实际制氢速率较慢，约几十毫克每秒，此流量范围的氢气和氧气连续输送到高压氢贮箱和高压氧贮箱(设计压力35mpa)中效率较低、能耗较大，本发明通过低压氢贮箱和低压氧贮箱(《10mpa)的“暂存”方式，待氢气和氧气储存到一定量时启动压缩机，再将氢气和氧气分别压缩进入高压氢贮箱高压氧贮箱中，这样可以降低压缩机能耗，避免流量过小造成的效率偏低问题。
70.月夜期间，由蓄电池起动控制系统，由于氢氧燃料电池对氢氧入口压力差有严格的限制(《0.2mpa)，通过低压氢贮箱和低压氧贮箱的“过渡”，可以避免高压氢贮箱和高压氧贮箱直接与燃料电池箱相连，降低了系统控制的难度。具体为，贮存的氢气和氧气通过减压阀减压后进入氢氧燃料电池向月球基地供电，待低压氢贮箱和低压氧贮箱的压力低于一定值时，开启高压氢贮箱和高压氧贮箱的阀门，进而使低压氢贮箱和低压氧贮箱处于一定的安全压力范围内。由于燃料电池还对入口氢气和氧气的湿度和温度有要求，因此，需要在入口前采用部分高温水对其进行加热和加湿。燃料电池发电后的高温水会被泵及时送到水贮箱，防止水淹现象的发生。此外，高温水可根据实际需要单独向月球基地供应以满足其主动热防护的需要，氧气和水两者也可进入生保系统循环利用，从而提高利用效率。
71.本发明与目前初级阶段月球基地能源供应系统普遍采用的光伏电解水技术路线
方案相比，首次提出了月昼期间光解水制氢 光伏发电组合的方案，采用光解水技术一步实现光氢的高效转化；另外，由于月昼期间，系统必须的泵、压缩机与控制系统等均需要供电，本发明同时结合采用光伏发电技术一步实现光电的高效转化以满足制氢过程的用电需求，以此实现了在储能的同时也可储热，即氢-热联产的思路，提高了系统一体化的集成度，降低了系统的复杂度。由于光伏发电实际只能利用特定波段的太阳能，利用效率有限，该方案能够充分利用太阳光聚光后各波段的能量，从而能够最大限度的提高月球表面太阳能利用率。
72.为了提高太阳能的利用率，同时实现光电的高效转化，本发明的月球基地能源供应系统还包括追光系统，例如在聚光单元的反射镜的边缘处设置光伏板，根据地面光伏板的经验，其发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与光伏板平面垂直时转换率最高，采用自动追光系统转换率可提高40％。作为一种优选的方案，光伏板和反射镜为一体化结构，以此提高系统的集成度，同时降低系统的重量。