一种光解水制氢装置及月球基地能源供应系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光解水制氢装置及月球基地能源供应系统，用以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。本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种光解水制氢装置及月球基地能源供应系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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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。
[0005]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
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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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]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，本专利技术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。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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
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水分离腔，所述氧气
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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
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水分离腔，氢气
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水分离腔与第四集液腔之间设有第二切向旋流孔；
[0016]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
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水分离腔和集水腔；
[0017]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
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水分离腔连通，第三出水口与第一出水口连通；
[0018]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
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水分离腔连通；
[0019]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。
[0020]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
°
。
[0021]进一步地，所述氧气
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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
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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。
[0022]进一步地，所述氧气
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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；
[0023]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。
[0024]进一步地，所述聚光单元包括多个反射镜。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]此外，本专利技术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、氢氧燃料系统及本专利技术所述的光解水制氢装置；
[0028]所述贮箱系统包括水贮箱和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光解水制氢装置，其特征在于：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；所述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)；所述壳体(1)靠近下端面的内侧设有第一集液腔(6)和第二集液腔(7)，靠近上端面内侧设有第三集液腔(8)；所述上顶盖(2)与壳体(1)上端连接，且两者之间围成第四集液腔(9)；所述第一集液腔(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；所述壳体(1)下端沿径向设有多个第一进水口(10)和第二进水口(101)，第一进水口(10)与第一集液腔(6)连通，第二水口(101)与第二集液腔(7)连通；所述光阳极(3)位于壳体(1)周向表面，且与壳体(1)之间形成空腔(11)，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)；所述产氢室(13)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)；所述产氧室(14)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)；所述中心体(4)同轴设置在壳体(1)内，上端与上顶盖(2)连接，下端与壳体(1)连接，外侧与壳体(1)、上顶盖(2)之间围成氧气
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水分离腔(19)；所述氧气
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水分离腔(19)与第三集液腔(8)之间设有第一切向旋流孔(20)；所述中心体(4)内侧与上顶盖(2)之间围成氢气
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水分离腔(21)，氢气
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水分离腔(21)与第四集液腔(9)之间设有第二切向旋流孔(22)；所述中心体(4)下端沿轴向设有第一出水口(23)，所述集水器(5)的集水腔(51)下端固定于第一出水口(23)内；所述集水腔(51)的上端沿径向设有多个集水孔(511)，集水孔(511)连通氢气
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水分离腔(21)和集水腔(51)；所述壳体(1)下端设有第二出水口(24)和第三出水口(25)，所述第二出水口(24)与氧气
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水分离腔(19)连通，第三出水口(25)与第一出水口(23)连通；所述上顶盖(2)下端沿轴向设有集气腔(28)，集气腔(28)沿径向设有多个进气孔(281)；所述上顶盖(2)上端设有第一出气口(26)和第二出气口(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭永华，汪广旭，陈鹏飞，尚冬琴，李星，杨宝娥，洪流，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：