[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

说明书

一种电‑热化学循环耦合的高效太阳能燃料制备系统及方法，该系统主要包括：聚光分频子系统、三步法甲烷水蒸气重整子系统、高温电解水制氢子系统；其中通过聚光分频子系统获取的第一太阳能光谱通过集热驱动三步法甲烷水蒸气重整子系统进行三步法甲烷水重整反应；而获取的第二光谱通过光伏电池驱动高温电解水制氢子系统进行电解水制H₂反应；三步法甲烷水蒸气重整子系统可为高温电解水制氢子系统提供所需热能、高温水蒸气气源和还原气氛，而高温电解水制氢子系统产生的纯O₂可直接用于三步法甲烷水蒸气重整子系统。本发明实现了太阳能热化学、电化学过程的协同耦合，可高效制得纯氢和优质合成气，将太阳能高效转化为碳氢和氢气燃料。

技术领域

本发明涉及燃料制备技术领域，尤其涉及一种电-热化学循环耦合的太阳能燃料制备系统及方法。

背景技术

我国是一个富煤、贫油、少气的国家，而燃煤会对环境造成严重污染。能源问题关系国计民生，是目前我国经济高速健康发展的主要制约因素，可再生清洁能源的开发和利用，尤其对于太阳能的合理有效利用，是解决这一问题的重要手段。

太阳能分布广泛，但不连续、不稳定，找到一种高效储存太阳能的方法尤为重要。目前，利用太阳能制取燃料是把太阳能收集、固定及储存的有效方法，但利用太阳能直接分解水和二氧化碳制取氢气和一氧化碳等燃料，存在反应温度高、效率低等问题。

将甲烷等化石燃料与太阳能化学互补结合，分解水和二氧化碳制取氢气和二氧化碳可有效降低反应温度、提高太阳能燃料制取效率。其中两步法甲烷化学链重整具有不易积碳、可制备适合费托合成的H₂/CO摩尔比为2的优质合成气等优点。但两步法甲烷化学链重整氧化过程由水分解产生的氢气量较少，且单位质量的高成本氧载体产生的燃料量较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电-热化学循环耦合的太阳能燃料制备系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种电-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。

作为本发明的另一个方面，提供一种使用如上所述的太阳能燃料制备系统进行燃料制备的方法，包括：

步骤1：对太阳能光谱进行聚光和分频，形成第一光束和第二光束，其中将第一光束转化为热能，将第二光束转化为电能；