[0027] 图1为本发明的膜反应系统结构示意图。
[0028] 其中，1为太阳能聚光器;2为膜反应器;3为氧化侧换热器;4为还原侧冷却器;5为 氧化侧冷却器;6为真空栗。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0030] 参见图1，将太阳能转化为化学能的膜反应系统太阳能聚光系统1、膜反应器2、氧 化侧换热器3、还原侧冷却器4、氧化侧冷却器5和真空栗6。太阳能聚光系统1用于聚焦太阳 能;膜反应器2用于促使流入的二氧化碳或水蒸汽分解产生一氧化碳或氢气;氧化侧换热器 3用于对膜反应器氧化侧流出气体的热量进行回收，同时对流入膜反应器氧化侧的气体进 行预热;还原侧冷却器4用于冷却膜反应器2还原侧流出的氧气;氧化侧侧冷却器5用于对流 出氧化侧换热器的气体进行进一步降温;真空栗6用于抽出还原侧产生的氧气并保持其内 部压力在较低水平。
[0031] 还原侧连接顺序为:膜反应器2的还原侧出口连接还原侧冷却器4入口；还原侧冷 却器4出口连接真空栗6入口。
[0032] 氧化侧连接顺序为：氧化侧换热器3的冷流体出口与膜反应器2的氧化侧入口连 接;膜反应器2的氧化侧出口与氧化侧换热器3的热流体入口连接;氧化侧换热器3的热流体 出口与氧化侧冷却器5的入口连接。
[0033] 以采用氧化铈为膜材料的膜反应系统为例。将氧化铈做成致密膜结构，并以此为 核心材料做成膜反应器。氧化铈膜将反应器隔离为两个区域，其中一侧为还原侧，用真空栗 将产生的氧气及时抽出反应区以维持其内部低氧环境;另一侧为氧化侧，通氧化气体(水蒸 气或二氧化碳）。氧化铈膜不仅能与周围气体进行氧化还原反应，还起到隔离两侧气体和压 强及横向传输氧离子的作用。
[0034] 利用本发明的膜反应系统将太阳能转化为化学能的方法，包括：
[0035] 运行时还原侧气体流动过程为:膜反应器2还原区产生的氧气由膜反应器2还原侧 出口流出后进入还原侧冷却器4进行冷却，经真空栗6抽出系统。氧化侧气体流动过程为:二 氧化碳或水(液态水或水蒸汽）由氧化侧换热器3冷流体端进入氧化侧换热器，经氧化侧换 热器预热后进入膜反应器2氧化侧，由膜反应器2氧化侧出口流出后进入氧化侧换热器3热 流体端对流入气体进行预热，流出氧化侧换热器3后进入氧化侧冷却器5进一步冷却至室 温，最后排出系统。
[0036] 表1是膜反应系统在不同还原侧总压，即氧分压条件下的能量转化效率，计算时所 选参数参见表2。
[0037] 表1膜反应系统在不同温度(T)和还原侧入口处氧分压条件下的能量转化 效率(％)
[0039] 注:缺少部分属因条件限制无法实现正常反应的区域。
[0040] 表2效率计算时需给定的各变量取值
[0042]综上所述，本发明的膜反应系统，能够将太阳能转化为一氧化碳或氢气的化学能。 金属氧化物膜起到与两侧气体分别发生氧化还原反应，隔离两侧气体和压强和横向传输氧 离子的作用；用气体换热器对流入和流出反应器氧化侧的气体进行换热，实现气体热量的 回收；用真空栗将还原侧产生的氧气及时抽出以保持其内部低氧环境。相比于该领域内其 他反应系统，该系统可实现燃料气体的连续生产，避免了固体材料输运需消耗机械能的问 题，同时避免了使用惰性气体，进一步提高了系统的能量转化效率，具有很高的推广价值。
【主权项】
1. 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（1)和设 置在其一侧的膜反应器(2)，在膜反应器(2)的两侧分别为氧化区和还原区，氧化区设有氧 化侧换热器(3)和氧化侧冷却器(5)，还原区设有还原区冷却器(4); 氧化侧换热器(3)的冷流体出口与膜反应器(2)的氧化侧入口相连，膜反应器(2)的氧 化侧出口与氧化侧换热器(3)的热流体入口相连，氧化侧换热器(4)的热流体出口与氧化侧 冷却器(5)的入口相连； 膜反应器(2)的还原侧出口与还原侧冷却器(4)的入口相连。2. 根据权利要求1所述的将太阳能转化为化学能的膜反应系统，其特征在于，在氧化区 内还设有真空栗(6)，还原侧冷却器(4)的出口与真空栗(6)的入口相连。3. 根据权利要求1所述的将太阳能转化为化学能的膜反应系统，其特征在于，所述膜反 应器(2)的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。4. 根据权利要求3所述的将太阳能转化为化学能的膜反应系统，其特征在于，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。5. -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： 太阳能聚光器（1 )，用于聚焦太阳能； 膜反应器(2)，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； 氧化侧换热器(3)，用于回收气体热量及对气体进行预热； 还原侧冷却器(4)和氧化侧冷却器(5)，用于对换热器流出的气体进行降温； 基于上述膜反应系统将太阳能转化为化学能的方法为： 膜反应器(2)产生的氧气由膜反应器(2)的还原侧出口流出后进入还原侧冷却器(4)进 行冷却，然后排出系统； 二氧化碳或水由氧化侧换热器(3)的冷流体入口进入氧化侧换热器(3)，经预热后进入 膜反应器(2)的氧化侧，由膜反应器(2)的氧化侧出口流出后进入氧化侧换热器(3)的热流 体端，经预热后流出氧化侧换热器(3)，然后进入氧化侧冷却器(5)冷却至室温，最后排出系 统。6. 根据权利要求5所述的将太阳能转化为化学能的方法，其特征在于，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(6)，二氧化碳或水经压缩机(7)加压后进入氧 化侧换热器(4)的冷流体端进行预热。7. 根据权利要求5所述的将太阳能转化为化学能的方法，其特征在于，所述膜反应器 (2)的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。8. 根据权利要求7所述的将太阳能转化为化学能的方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开一种将太阳能转化为化学能的膜反应系统及方法，属于新能源技术领域。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。控制一侧为低氧环境，一侧为氧化环境时，膜反应器能够与两侧气体发生氧化还原反应，同时起到隔离两侧气体和压力，传输横向氧离子的作用。相比于该领域内其他反应系统，该系统可实现燃料气体的连续生产，同时避免了固体材料输运需消耗机械能的问题。该系统可实现较高的能量转化效率，具有很高的推广价值。
【IPC分类】C01B31/18, B01J19/12, F24J2/10, C01B3/04
【公开号】CN105597642
【申请号】CN201510727413
【发明人】吕友军, 朱利亚
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年10月30日