[发明专利]在电解工艺中利用太阳辐射的装置和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于实施化学反应的太阳能系统，特别地涉及利用CO₂和/或H₂O作为它们的原材料的太阳能系统和方法。

背景技术

研发的利用诸如太阳能和风能等丰富的间歇性可再生能源的技术，已经达到或者正接近可接受的效率、可靠性和成本的水平。然而，由于这些能源是间歇性的，并且不存在用于存储电能的经济有效的大型装置，因此太阳能和风能发电目前不适于基本负荷的电供应，而仅能结合其它能源使用，从而供应总电源的相对小部分（5%-20%）。因此，将可再生能源广泛使用的商业化的成功或失败，大大地依赖于用于存储从可再生能源获取的能量、以及长距离运输以能够使该能量输送到非能量收集地区的区域的有效存储装置。

为了克服这些缺点，已建议用于将太阳能转化成化学势能（即燃料）的多种方法。一般而言，从处于充分高温度下的会聚的太阳辐射获得的热能，可用于诱发吸热性化学反应，从而产生可按需使用以提供包含于其中（例如燃料）的能量的产物。这些产物可以燃料形式存储、运输和消耗。

同时，全球CO₂排放物对这个星球的健康构成严重威胁。CO₂捕获和隔离正发展为可能的解决方案，但用于长期CO₂存储的建议解决方案却很有问题且昂贵。

本领域内已建议了多种方法，以在生产富含能量的产物的同时致力于处理CO₂的方法中，利用太阳能。这种方法的一个示例是甲烷和CO₂重组从而如下所示产生合成气（即氢气和一氧化碳的混合物）：

这种太阳能驱动的甲烷重组以产生清洁燃料的方法已被广泛研究，利用它的其中一个优点是在需要时它可被逆向反应从而产生能量，由此提供以闭环方式操作的选项，并因此提供用于存储和运输太阳能的手段。

还建议了利用诸如太阳辐射等清洁能源进行高温电解的另一示例，主要用于电解水。Stoots, C.M., O’Brien, J.E., Herring, J.S., Condie, K.G. and Hartvigsen, J.J.“爱达荷州国家实验室在用于氢气和合成气生产的高温电解方面的实验研究”，关于高温反应器技术HTR2008的第四届国际主题会议的会议记录（Proceedings of the 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology HTR2008），2008年9月28日-10月1日，美国华盛顿DC，主张用于电解的较高温度降低了该方法所要求的电力总量。该作者也揭示了CO2电解可使用不同金属电极，以及液态或固态聚合物电解质。无污染电解系统的最大效率依赖于诸如光伏驱动系统等清洁源电力系统的效率。在电解过程中，碳可沉积在电极上，这降低了电极效率，并最终停止该过程。

转让给本申请的受让人的国际专利公开文献WO10/013244，揭示了用于化学势能生产的系统和方法。该系统包括：热源，其提供期望温度和能量场下（例如太阳能集热器）的热；电子源，其配置并可操作为发射电子；电场发生器，其产生适于供应足以离解气体分子的能量的电场；以及反应气体室，其配置并可操作为引起电子与分子之间的交互作用，使得电子离解分子以在该反应气体室内产生化合物和离子。

发明内容

在本领域内需要能够提供一种用于在利用太阳能的同时高效高速生产清洁低成本产品的适当解决方案的新途径。

本发明提供用于利用太阳能生产清洁电的新方法和装置，其经济有效的存储，容许在连续基础上按需操作。本发明的技术也提供通过利用CO₂作为燃料生产的给料而减少CO₂排放。本发明也使将在发电厂以及其它CO₂排放设施中捕获的CO₂隔离的需要减少了。进一步地，本发明提供用于产生用于液体燃料运输的变化的成本有竞争力的替代选择。