一种将太阳能转化为化学能的膜反应系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种将太阳能转化为化学能的膜反应系统 及方法。
【背景技术】
[0002] 清洁及可再生能源的开发、转化和利用是世界范围内的研究热点，对人类社会长 期可持续发展具有重要意义。在诸多可再生能源中，太阳能储量丰富，分布广泛，清洁无污 染，具有巨大的开发潜力。以金属氧化物为媒介，通过两步热化学循环分解水或二氧化碳， 从而将太阳能转化为化学能是太阳能转化的重要途径之一。该循环的原理是利用较活泼的 金属与其氧化物之间（如Zn/ZnO)或者金属的不同价态氧化物之间（如Fe 3OVFeO)的氧化还 原反应实现水和二氧化碳的分解。第一步为还原反应，金属氧化物在高温（>1300°C)低氧 分压条件下放出氧气，金属离子被还原至单质或较低价态。第二步为氧化反应，可在较低温 度(400-1000 °C)下进行，被还原的金属氧化物与水蒸气或二氧化碳接触并获得其中的一个 氧原子，产生氢气或一氧化碳，金属离子则被氧化至还原前的状态。一些金属氧化物，如铈 基氧化物(氧化铺及掺杂有其他金属离子的氧化铺)和一些钙钛矿结构的氧化物(ABO 3型氧 化物），在不同的温度和氧分压条件下晶格内可表现为不同数目的氧空位，利用这一性质， 可在其发生非化学计量数变化的情况下实现两步循环。
[0003] 提高系统的能量转化效率是该领域研究的核心目标。热力学分析显示气相热损失 和固相热损失是此类转化过程中的主要能量损失，对总体的能量转化效率具有决定性意 义。气相热损失是指排出的气体由反应温度降至常温放出的热量，这一部分热量如不加以 回收则表现为能量损失。为将第一步反应过程中产生的氧气带出反应区，保持反应区为低 氧分压环境，现有的实验研究中均采用惰性气体吹扫的方法，这将耗费大量惰性气体，所造 成的热量损失在全部气相热损失中占有最大比重。固相热损失是指完成第一步反应后的金 属氧化物降至第二步反应温度过程中所放出的热量，这一部分能量如不加以回收也将表现 为能量损失。对于气相热损失，可以在系统内添加换热器，用反应器排出的气体加热进入系 统的气体，从而实现大部分气相热量的回收。为消除固相热损失，学者们提出等温循环的方 法，即将第二步反应控制在与第一步反应相同的温度，仅改变氧化物周围气氛提高氧分压 以达到促进氧化反应进行的目的。这样可以避免在两步反应间对材料进行升降温，也就避 免了固相热损失。然而目前没有关于等温循环反应系统的具体形式和运行方式的相关报 道。非等温循环所采用的反应系统仍然适用，然而，若采用单个腔体的反应器，两步反应交 替进行，无法实现燃料气体的连续生产，若采用两个反应腔的反应系统，如旋转式或循环输 送式反应器，仍然无法避免金属氧化物输运需消耗机械功、金属氧化物材料在连续运动过 程中机械强度难以保证和两反应腔之间密封难度大等问题。另外，大量惰性气体的使用不 仅增加了反应系统的成本，而且大大限制了系统能量转化效率的进一步提高。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种将太阳能转化为 化学能的膜反应系统及方法，该膜反应系统结构设计合理，能够提高系统的能量转化效率。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] 本发明公开的一种将太阳能转化为化学能的膜反应系统，其特征在于，包括太阳 能聚光器和设置在其一侧的膜反应器，在膜反应器的两侧分别为氧化区和还原区，氧化区 设有氧化侧换热器和氧化侧冷却器，还原区设有还原区冷却器；
[0007] 氧化侧换热器的冷流体出口与膜反应器的氧化侧入口相连，膜反应器的氧化侧出 口与氧化侧换热器的热流体入口相连，氧化侧换热器的热流体出口与氧化侧冷却器的入口 相连;膜反应器的还原侧出口与还原侧冷却器的入口相连。
[0008] 在氧化区内还设有真空栗，还原侧冷却器的出口与真空栗的入口相连。
[0009] 所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
[0010] 所述的金属氧化物为氧化铈、钙钛矿结构氧化物或掺杂金属离子的铈基氧化物。
[0011] 本发明还公开了一种将太阳能转化为化学能的方法，其特征在于，将太阳能转化 为化学能的膜反应系统，包括：
[0012] 太阳能聚光器，用于聚焦太阳能；
[0013] 膜反应器，用于将流入的二氧化碳分解产生一氧化碳，或者将流入的水蒸汽分解 产生氢气；
[0014] 氧化侧换热器，用于回收气体热量及对气体进行预热；
[0015] 还原侧冷却器和氧化侧冷却器，用于对换热器流出的气体进行降温；
[0016] 基于上述膜反应系统将太阳能转化为化学能的方法为：
[0017] 膜反应器产生的氧气由膜反应器的还原侧出口流出后进入还原侧冷却器进行冷 却，然后排出系统；
[0018] 二氧化碳或水由氧化侧换热器的冷流体入口进入氧化侧换热器，经预热后进入膜 反应器的氧化侧，由膜反应器的氧化侧出口流出后进入氧化侧换热器的热流体端，经预热 后流出氧化侧换热器，然后进入氧化侧冷却器冷却至室温，最后排出系统。
[0019] 所述膜反应系统还包括用于抽出还原侧产生的氧气的真空栗，二氧化碳或水经压 缩机加压后进入氧化侧换热器的冷流体端进行预热。
[0020] 所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
[0021] 所述的金属氧化物为氧化铈、钙钛矿结构氧化物或掺杂金属离子的铈基氧化物。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0023] 本发明公开的利用太阳能生产气体燃料的膜反应系统，在膜反应器的两侧分别为 还原区和氧化区，还原区设有还原侧冷却器，氧化区设有氧化侧换热器和氧化侧冷却器。控 制还原区为低氧分压环境，氧化区则要通入氧化气体(水蒸气或二氧化碳）。膜反应器不仅 与两侧气体进行氧化还原反应，还起到隔离两侧气体和压强，同时横向传输氧离子的作用。 本发明的膜反应系统发生氧化反应和还原反应的反应温度相同，消除了不等温循环中的固 体热量损失，氧化反应和还原反应同时进行，可实现燃料气体的连续生产。相比于该领域内 其他反应系统，该系统避免了固体材料输运需消耗机械能的问题，能够有效提高系统的能 量转化效率，具有很高的推广价值。
[0024] 本发明还公开了基于上述膜反应系统将太阳能转化为化学能的方法，氧化反应和 还原反应同时进行，可实现燃料气体的连续生产，且氧化反应和还原反应的反应温度相同， 消除了不等温循环中的固体热量损失。
[0025] 进一步地，本发明膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构，可以隔离两 侧的气体和压力，简化了密封问题，同时可以分别改变两反应区压力以进一步提高系统的 能量转化效率。
[0026] 进一步地，采用真空栗及时将还原区产生的氧气及时抽出的方式以维持还原区的 低氧环境，避免了惰性气体的使用，进一步提高了系统的能量转化效率。
【附图说明】