[发明专利]电-热化学循环耦合的太阳能燃料制备系统及方法

权利要求书

1.一种电-热化学循环耦合的太阳能燃料制备系统，包括：

聚光分频子系统，对太阳能光谱进行聚光和分频，以形成第一光束和第二光束；

三步法甲烷水蒸气重整子系统，包括：

集热单元，将所述第一光束转化为热能；以及

重整反应单元，包括：

还原反应器，与所述集热单元热连接，作为氧载体MO_z和甲烷反应生成碳氢燃料和氧载体MO_x的容器；

氧化反应器，作为水蒸气和氧载体MO_x反应生成MO_y和氢气的容器，以及

再氧化反应器，作为氧载体MO_y和氧气反应生成氧载体MO_z的容器，

其中所述还原反应器连接至氧化反应器以向氧化反应器输送MO_x，所述氧化反应器连接至再氧化反应器以向再氧化反应器输送MO_y，所述再氧化反应器连接至还原反应器以向还原反应器输送MO_z；

高温电解水制氢子系统，包括：

光伏发电单元，将所述第二光束转化为电能；以及

固体氧化物电解池，与所述光伏发电单元电连接，且与所述氧化反应器热连接，作为在氧化反应器传递的热量作用下对水蒸气进行电解制氢反应生成氢气燃料的容器；所述固体氧化物电解池还分别连接至所述再氧化反应器和氧化反应器，以向再氧化反应器输送氧气以及将氧化反应器输出的氢气和未反应的水蒸气的混合气通入固体氧化物电解池；以及

换热子系统，分别与所述重整反应单元、固体氧化物电解池通过管道连接，对所述重整反应单元输出的碳氢燃料、氢气和未反应的水蒸气、以及所述固体氧化物电解池输出的氢气和未完全电解的水蒸气的热量进行回收。

2.根据权利要求1所述的太阳能燃料制备系统，其特征在于，所述换热子系统利用回收的所述热量对通入所述重整反应单元的甲烷和水蒸汽进行预热，所述换热子系统具体包括：

第一换热器，用于将常温甲烷和所述还原反应器输出的碳氢燃料进行换热，完成甲烷的预热；

第二换热器，用于将常温水和经过第一换热器后的碳氢燃料进行换热，完成水蒸气的一级预热；

第三换热器，用于将经过第二换热器后的水蒸气和固体氧化物电解池输出的氢气和未完全电解的水蒸气进行换热，完成水蒸气的二级预热；以及

第四换热器，用于将经过第三换热器后的水蒸气和氧化反应器输出的氢气及未反应的水蒸气的混合气进行换热，完成水蒸气的三级预热。

3.根据权利要求2所述的太阳能燃料制备系统，其特征在于，所述第四换热器还连接至所述固体氧化物电解池，以将经过第四换热器后的氢气及未反应的水蒸气的混合气通入固体氧化物电解池中。

4.根据权利要求1所述的太阳能燃料制备系统，其特征在于，所述氧载体MO_z选自氧化铈、氧化锌、氧化铜、氧化镍或钙钛矿型氧载体中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的太阳能燃料制备系统，其特征在于，所述光伏发电单元包括光伏电池。

6.根据权利要求1所述的太阳能燃料制备系统，其特征在于：

在所述固体氧化物电解池与所述再氧化反应器间的管道上设置有分流器，以将固体氧化物电解池生成的部分氧气输送至再氧化反应器；

所述再氧化反应器热连接至还原反应器，以向还原反应器传递热量；

将太阳能光谱中波长范围为600～900nm的光谱作为第二光束，将太阳能光谱中其余波长的光谱作为第一光束。