一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng) 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 清潔及可再生能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)化和利用是世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，對人類社會長 期可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在諸多可再生能源中，太陽能儲量豐富，分布廣泛，清潔無污 染，具有巨大的開發(fā)潛力。以金屬氧化物為媒介，通過兩步熱化學(xué)循環(huán)分解水或二氧化碳， 從而將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能是太陽能轉(zhuǎn)化的重要途徑之一。該循環(huán)的原理是利用較活潑的 金屬與其氧化物之間（如Zn/ZnO)或者金屬的不同價(jià)態(tài)氧化物之間（如Fe 3OVFeO)的氧化還 原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)水和二氧化碳的分解。第一步為還原反應(yīng)，金屬氧化物在高溫（>1300°C)低氧 分壓條件下放出氧氣，金屬離子被還原至單質(zhì)或較低價(jià)態(tài)。第二步為氧化反應(yīng)，可在較低溫 度(400-1000 °C)下進(jìn)行，被還原的金屬氧化物與水蒸氣或二氧化碳接觸并獲得其中的一個(gè) 氧原子，產(chǎn)生氫氣或一氧化碳，金屬離子則被氧化至還原前的狀態(tài)。一些金屬氧化物，如鈰 基氧化物(氧化鋪及摻雜有其他金屬離子的氧化鋪)和一些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物(ABO 3型氧 化物），在不同的溫度和氧分壓條件下晶格內(nèi)可表現(xiàn)為不同數(shù)目的氧空位，利用這一性質(zhì)， 可在其發(fā)生非化學(xué)計(jì)量數(shù)變化的情況下實(shí)現(xiàn)兩步循環(huán)。
[0003] 提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率是該領(lǐng)域研究的核心目標(biāo)。熱力學(xué)分析顯示氣相熱損失 和固相熱損失是此類轉(zhuǎn)化過程中的主要能量損失，對總體的能量轉(zhuǎn)化效率具有決定性意 義。氣相熱損失是指排出的氣體由反應(yīng)溫度降至常溫放出的熱量，這一部分熱量如不加以 回收則表現(xiàn)為能量損失。為將第一步反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氧氣帶出反應(yīng)區(qū)，保持反應(yīng)區(qū)為低 氧分壓環(huán)境，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究中均采用惰性氣體吹掃的方法，這將耗費(fèi)大量惰性氣體，所造 成的熱量損失在全部氣相熱損失中占有最大比重。固相熱損失是指完成第一步反應(yīng)后的金 屬氧化物降至第二步反應(yīng)溫度過程中所放出的熱量，這一部分能量如不加以回收也將表現(xiàn) 為能量損失。對于氣相熱損失，可以在系統(tǒng)內(nèi)添加換熱器，用反應(yīng)器排出的氣體加熱進(jìn)入系 統(tǒng)的氣體，從而實(shí)現(xiàn)大部分氣相熱量的回收。為消除固相熱損失，學(xué)者們提出等溫循環(huán)的方 法，即將第二步反應(yīng)控制在與第一步反應(yīng)相同的溫度，僅改變氧化物周圍氣氛提高氧分壓 以達(dá)到促進(jìn)氧化反應(yīng)進(jìn)行的目的。這樣可以避免在兩步反應(yīng)間對材料進(jìn)行升降溫，也就避 免了固相熱損失。然而目前沒有關(guān)于等溫循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的具體形式和運(yùn)行方式的相關(guān)報(bào) 道。非等溫循環(huán)所采用的反應(yīng)系統(tǒng)仍然適用，然而，若采用單個(gè)腔體的反應(yīng)器，兩步反應(yīng)交 替進(jìn)行，無法實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)，若采用兩個(gè)反應(yīng)腔的反應(yīng)系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)式或循環(huán)輸 送式反應(yīng)器，仍然無法避免金屬氧化物輸運(yùn)需消耗機(jī)械功、金屬氧化物材料在連續(xù)運(yùn)動過 程中機(jī)械強(qiáng)度難以保證和兩反應(yīng)腔之間密封難度大等問題。另外，大量惰性氣體的使用不 僅增加了反應(yīng)系統(tǒng)的成本，而且大大限制了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種將太陽能轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)及方法，該膜反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] 本發(fā)明公開的一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽 能聚光器和設(shè)置在其一側(cè)的膜反應(yīng)器，在膜反應(yīng)器的兩側(cè)分別為氧化區(qū)和還原區(qū)，氧化區(qū) 設(shè)有氧化側(cè)換熱器和氧化側(cè)冷卻器，還原區(qū)設(shè)有還原區(qū)冷卻器；
[0007] 氧化側(cè)換熱器的冷流體出口與膜反應(yīng)器的氧化側(cè)入口相連，膜反應(yīng)器的氧化側(cè)出 口與氧化側(cè)換熱器的熱流體入口相連，氧化側(cè)換熱器的熱流體出口與氧化側(cè)冷卻器的入口 相連;膜反應(yīng)器的還原側(cè)出口與還原側(cè)冷卻器的入口相連。
[0008] 在氧化區(qū)內(nèi)還設(shè)有真空栗，還原側(cè)冷卻器的出口與真空栗的入口相連。
[0009] 所述膜反應(yīng)器的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述的金屬氧化物為氧化鈰、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物或摻雜金屬離子的鈰基氧化物。
[0011] 本發(fā)明還公開了一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，其特征在于，將太陽能轉(zhuǎn)化 為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，包括：
[0012] 太陽能聚光器，用于聚焦太陽能；
[0013] 膜反應(yīng)器，用于將流入的二氧化碳分解產(chǎn)生一氧化碳，或者將流入的水蒸汽分解 產(chǎn)生氫氣；
[0014] 氧化側(cè)換熱器，用于回收氣體熱量及對氣體進(jìn)行預(yù)熱；
[0015] 還原側(cè)冷卻器和氧化側(cè)冷卻器，用于對換熱器流出的氣體進(jìn)行降溫；
[0016] 基于上述膜反應(yīng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法為：
[0017] 膜反應(yīng)器產(chǎn)生的氧氣由膜反應(yīng)器的還原側(cè)出口流出后進(jìn)入還原側(cè)冷卻器進(jìn)行冷 卻，然后排出系統(tǒng)；
[0018] 二氧化碳或水由氧化側(cè)換熱器的冷流體入口進(jìn)入氧化側(cè)換熱器，經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入膜 反應(yīng)器的氧化側(cè)，由膜反應(yīng)器的氧化側(cè)出口流出后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器的熱流體端，經(jīng)預(yù)熱 后流出氧化側(cè)換熱器，然后進(jìn)入氧化側(cè)冷卻器冷卻至室溫，最后排出系統(tǒng)。
[0019] 所述膜反應(yīng)系統(tǒng)還包括用于抽出還原側(cè)產(chǎn)生的氧氣的真空栗，二氧化碳或水經(jīng)壓 縮機(jī)加壓后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器的冷流體端進(jìn)行預(yù)熱。
[0020] 所述膜反應(yīng)器的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。
[0021] 所述的金屬氧化物為氧化鈰、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物或摻雜金屬離子的鈰基氧化物。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0023] 本發(fā)明公開的利用太陽能生產(chǎn)氣體燃料的膜反應(yīng)系統(tǒng)，在膜反應(yīng)器的兩側(cè)分別為 還原區(qū)和氧化區(qū)，還原區(qū)設(shè)有還原側(cè)冷卻器，氧化區(qū)設(shè)有氧化側(cè)換熱器和氧化側(cè)冷卻器?？?制還原區(qū)為低氧分壓環(huán)境，氧化區(qū)則要通入氧化氣體(水蒸氣或二氧化碳）。膜反應(yīng)器不僅 與兩側(cè)氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，還起到隔離兩側(cè)氣體和壓強(qiáng)，同時(shí)橫向傳輸氧離子的作用。 本發(fā)明的膜反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的反應(yīng)溫度相同，消除了不等溫循環(huán)中的固 體熱量損失，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)。相比于該領(lǐng)域內(nèi) 其他反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)避免了固體材料輸運(yùn)需消耗機(jī)械能的問題，能夠有效提高系統(tǒng)的能 量轉(zhuǎn)化效率，具有很高的推廣價(jià)值。
[0024] 本發(fā)明還公開了基于上述膜反應(yīng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，氧化反應(yīng)和 還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)，且氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的反應(yīng)溫度相同， 消除了不等溫循環(huán)中的固體熱量損失。
[0025] 進(jìn)一步地，本發(fā)明膜反應(yīng)器的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)，可以隔離兩 側(cè)的氣體和壓力，簡化了密封問題，同時(shí)可以分別改變兩反應(yīng)區(qū)壓力以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的 能量轉(zhuǎn)化效率。
[0026] 進(jìn)一步地，采用真空栗及時(shí)將還原區(qū)產(chǎn)生的氧氣及時(shí)抽出的方式以維持還原區(qū)的 低氧環(huán)境，避免了惰性氣體的使用，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說明】