[發明專利]太陽能中低溫熱驅動的熱化學反應制氫系統及方法

有效

• 申請號: 200710098468.9
• 申請日: 2007-04-18
• 公開（公告）號: CN101289164A
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 金紅光;洪慧;隋軍;劉啟斌;鄭丹星
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: C01B3/24
• 分類號: C01B3/24
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及太陽能利用技術領域，尤其涉及一種太陽能中低溫熱驅動的熱化學反應制氫的系統及方法，特別是一種利用低聚光比太陽能聚光裝置提供替代燃料重整反應制氫所需要的中低品位能量的轉換系統及方法。

背景技術

21世紀，世界能源將從以化石能源為主，向化石燃料、核能、太陽能、可再生能源等不斷變化的多元化能源結構轉變。特別是太陽能具有分布廣泛，儲量無限，開采利用清潔等優點引起了人們的廣泛關注，但在相當長一段時間內，太陽能的大規模開發利用成本仍然很高，在經濟上無法與常規的化石能源相匹敵，而且還存在不連續與不穩定性等問題。因此，高效、低成本太陽能的利用、貯存等就成為當今能源動力領域研究的熱點與前沿課題。

同時，氫不但是一種優質燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業中的重要資源，被認為是未來的主要清潔能源之一。故氫能越來越受到關注。

太陽能在利用過程中為了解決能流密度低的不足，通常利用聚光裝置(如拋物槽式、碟式、塔式等)將太陽能轉化為熱能。一般地，將太陽能集聚的溫度越高，相應的成本也越高，效率越低，另外為了解決能量不連續的問題，可以采用蓄熱手段，如何蓄熱也是一個具有挑戰性的問題；這一過程還有不可避免的熱損失，應用受到限制。而利用太陽能進行的吸熱化學反應，將太陽能轉化為反應產物的化學能可以解決上述難題，因此利用太陽能進行熱化學反應制氫已成為國際上開發利用太陽能的一個研究熱點。

目前利用太陽能進行熱化學反應制氫的方法主要有以下幾種：

(1)直接利用太陽能高溫分解水制氫，反應操作溫度在2000℃左右。該方法由于分解后的高溫氣體產物有接觸爆炸的危險，并且高溫的氣體產物難于分離。

(2)太陽能熱化學分解水循環制氫，反應操作溫度一般在1000℃左右。該方法可以有效地解決上述問題，出現了幾十種循環制氫方法，其中最為出名有Fe₂O₃/SO₂循環、S/I循環、UT-3循環、Fe/Cl/O/H循環、Mark循環、太陽能分解金屬氧化物循環、S/I/Mg循環及S/O循環等。

(3)太陽能甲烷重整制氫，甲烷水蒸汽重整所需要的900℃左右的熱量由塔式太陽能聚光裝置提供，但是由于高溫，接收器的效率低，整個系統復雜并且成本高。

(4)太陽能化石燃料/氣化制氫，操作溫度也在1000℃左右；太陽能為煤等化石燃料氣化反應提供熱量，制得的合成氣需要較為復雜的凈化、提純工藝。

針對前述的四種制氫方法，均是采用高溫太陽能制氫，共同特點是均是采用昂貴的太陽能聚光裝置，聚集高于900℃的高品位太陽能，以提供制氫需要的熱能，造成制氫成本高的技術難題，同時對材料的使用提出了更高的要求，不利于大規模應用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的一個目的在于提供一種太陽能中低溫熱驅動的熱化學反應制氫系統，以降低利用太陽能制氫的成本，便于大規模的推廣和應用。

本發明的另一個目的在于提供一種太陽能中低溫熱驅動的熱化學反應制氫的方法，以降低利用太陽能制氫的成本，便于大規模的推廣和應用。

(二)技術方案

為達到上述一個目的，本發明提供了一種太陽能中低溫熱驅動的熱化學反應制氫系統，該系統包括：

原料供應裝置，用于貯存制氫所需的原料，并將貯存的原料輸出給原料混合裝置；

原料混合裝置，用于接收并混合來自原料供應裝置中的新鮮原料和氣液分離器分離出來的未反應物，并將得到的混合物輸出給原料計量裝置；

原料計量裝置，用于控制單位時間內原料進入預熱器的體積，將接收自原料混合裝置的原料按一定的速率輸出給預熱器；

預熱器，用于對接收自原料計量裝置的原料進行預熱，將預熱后的原料輸出給太陽能吸收反應器；

太陽能吸收反應器，利用吸收的太陽能熱量供接收自預熱器的原料在自身的反應管中發生重整反應，反應產物通過預熱器放出熱量，然后再進入冷凝器；

太陽能集熱器，用于以線性聚焦方式將低能流密度的太陽能聚集成高能流密度的中低溫熱能，向太陽能吸收反應器中的原料重整反應提供熱量；所述太陽能吸收反應器位于太陽能集熱器的線性聚焦線上，該太陽能集熱器采用拋物槽式聚光結構，拋物槽內表面涂有對太陽光具有高反射率、低吸收率的選擇性鍍膜，向太陽能吸收反應器中的原料重整反應提供150℃至300℃溫度范圍的熱量；

冷凝器，用于冷卻太陽能吸收反應器通過預熱器輸入的反應產物，并將冷卻后的反應產物輸出給氣液分離器；