CN105597642B - 一种将太阳能转化为化学能的膜反应***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种将太阳能转化为化学能的膜反应***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***，该***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***可实现较高的能量转化效率，具有很高的推广价值。

Description

一种将太阳能转化为化学能的膜反应***及方法
技术领域
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***及方法。
背景技术
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Fe3O4/FeO)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℃)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℃)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(氧化铈及掺杂有其他金属离子的氧化铈)和一些钙钛矿结构的氧化物(ABO3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。
提高***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***内添加换热器，用反应器排出的气体加热进入***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***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***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***，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***的成本，而且大大限制了***能量转化效率的进一步提高。
发明内容
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***及方法，该膜反应***结构设计合理，能够提高***的能量转化效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种将太阳能转化为化学能的膜反应***，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；
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。
在氧化区内还设有真空泵，还原侧冷却器的出口与真空泵的入口相连。
所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
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。
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***，包括：
太阳能聚光器，用于聚焦太阳能；
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；
氧化侧换热器，用于回收气体热量及对气体进行预热；
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；
基于上述膜反应***将太阳能转化为化学能的方法为：
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***；
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***。
所述膜反应***还包括用于抽出还原侧产生的氧气的真空泵，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。
所述膜反应器的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构。
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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的利用太阳能生产气体燃料的膜反应***，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***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***，该***避免了固体材料输运需消耗机械能的问题，能够有效提高***的能量转化效率，具有很高的推广价值。
本发明还公开了基于上述膜反应***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。
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***的能量转化效率。
进一步地，采用真空泵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***的能量转化效率。
附图说明
图1为本发明的膜反应***结构示意图。
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为真空泵。
具体实施方式
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。
参见图1，将太阳能转化为化学能的膜反应***太阳能聚光***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和真空泵6。太阳能聚光***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；真空泵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。
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出口连接真空泵6入口。
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。
以采用氧化铈为膜材料的膜反应***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，用真空泵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。
利用本发明的膜反应***将太阳能转化为化学能的方法，包括：
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，经真空泵6抽出***。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***。
表1是膜反应***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。
表1膜反应***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(％)
注：缺少部分属因条件限制无法实现正常反应的区域。
表2效率计算时需给定的各变量取值
综上所述，本发明的膜反应***，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；用真空泵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***，该***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***的能量转化效率，具有很高的推广价值。

Claims (2)

1.一种将太阳能转化为化学能的膜反应***，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），还原区设有还原侧冷却器（4）和真空泵（6）；
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（3）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，还原侧冷却器（4）的出口与真空泵（6）的入口相连；
膜反应器（2）的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构，金属氧化物为氧化铈或掺杂金属离子的铈基氧化物。
2.一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***，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；
在还原区内还设有真空泵（6），膜反应器（2）的还原侧出口与还原侧冷却器（4）的入口相连，还原侧冷却器（4）的出口与真空泵（6）的入口相连；
膜反应器（2）的膜采用金属氧化物制成的致密膜结构，金属氧化物为氧化铈或掺杂金属离子的铈基氧化物；
基于上述膜反应***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，经真空泵（6）排出***；
二氧化碳或水蒸气由氧化侧换热器（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，对流入气体进行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***。
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