[发明专利]由水生成氢气和氧气的太阳能系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月21日提交的美国临时申请第62/106056号、发明名称为“由水生成氢气和氧气的太阳能系统和方法”的权益。以上引用申请的全部内容通过引用并入而无需免责声明。

背景技术

A.技术领域

本发明一般涉及用于由水生成氢气和氧气的太阳能系统。具体地，本发明涉及利用连接至发电机单元和电解单元的太阳能涡轮单元的系统。

B.相关技术说明

氢气(H₂)是有价值的产品并用作石油、化学、能源和半导体工业中的原料。例如，氢气用于烃的加工(例如加氢裂化、加氢脱烷基化和加氢脱硫工艺)、氨的生产、甲醇的生产、多种化学工艺(例如加氢反应)和作为冷却剂。氢气可以作为化学反应或生物反应的副产品回收或从化石燃料的生产中分离。生产氢气的常规方法包括天然气的蒸汽重整、水的热化学分解和水的电解。作为水裂解产物的氢气生产为能源领域、环境和化学工业提供了巨大的潜在利益。这些工艺的问题是它们可以从化学反应或从消耗源自化石燃料的电生成大量二氧化碳(CO₂)。例如在蒸汽重整反应中，如反应式(I)所示，当使用过量的水时，CO₂可以作为反应产物生成。

CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂(I)

如反应式(II)所示，生成氢气的其他工艺需要通过燃烧化石燃料生成CO₂的电能。

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O (II)

二氧化碳被政府机构认为是由人类活动产生的主要温室气体，二氧化碳的排放被许多政府机构管制。

常规的系统和方法试图通过使用太阳能来减少二氧化碳产生。美国专利申请公开第20130234069号描述了太阳能接收器，其生成用于电解单元的电，然后使用电解过程排出的热量作为在能量循环其他地方使用的工作流体的热源。Fan等人的美国专利申请公开第20120171588号描述了使用太阳能以驱动重整/水裂解区。然而，这些系统不是自给型的，具有依赖基于碳的原料或燃料以满足其系统能量需求的缺点。

发明概述

已经发现以最小量二氧化碳生成来产生能源(即，低二氧化碳排放量)的问题的解决方案。具体地，该解决方案在于能够在电解水以生成氢气和氧气期间避免使用化石燃料作为电源。水裂解的化学反应如反应式(III)所示。

2H₂O→2H₂+O₂(III)

值得注意的是，本发明能够升高水的温度和压力，然后可以将其用在电解单元中。通过升高水的温度和压力，降低了水裂解反应所需要的全部电能，在某些方面，这可能以使用来自太阳能或内部热量损耗的额外热量输入为代价。使用连接至太阳能涡轮单元的发电机产生电能，该太阳能涡轮单元能够驱动发电机单元并向电解单元提供蒸汽。这可以在水裂解反应期间不使用化石燃料且不产生二氧化碳而完成(参见以上反应式(III)并对比反应式(I)和(II))。