的氫氣出口相連通。抽氧真空管道8的進(jìn)口與多個(gè)氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4的氧氣出口相連通。
[0038]本實(shí)施例中，設(shè)置了3個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和3個(gè)氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔。質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4交替設(shè)置。質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4內(nèi)部分別有質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5和氧離子導(dǎo)體催化劑6。
[0039]本實(shí)施例中，抽氫真空管道7和抽氧真空管道8設(shè)置于質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4的內(nèi)側(cè)，并且兩者在高度方向上相互錯(cuò)開(kāi)，分別與質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4的相應(yīng)出口相連通。
[0040]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以理解，抽氫真空管道7和抽氧真空管道8還可以設(shè)置于水蒸氣流通管路的外側(cè)，或者其中之一在內(nèi)側(cè)，其中另一在外側(cè)，均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0041]在抽氫真空管道7上，設(shè)置氫氣出口9。在抽氧真空管道8上，設(shè)置氧氣出口 10，而氫氣出口 9和氧氣出口 10另外一側(cè)連接真空栗以使質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4可以在需要維持較低氣體分壓時(shí)抽真空來(lái)降低壓強(qiáng)。
[0042]其中，水蒸氣入口 I和水蒸氣出口 2以及氫氣出口 9和氧氣出口 10分別通過(guò)集熱器壁面伸出至集熱器外部以便通入水蒸氣和在室溫條件下連接真空栗。
[0043]需要說(shuō)明的是，水蒸氣入口1、水蒸氣出口 2、質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3、氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4均由導(dǎo)熱密封材料組成。其中，水蒸氣入口 1、水蒸氣出口2管道形狀可以但不僅限于圓形，質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3、氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4可以但不僅限于圓柱形腔體。質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3、氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4通過(guò)管道交替連接，其數(shù)量可以通過(guò)計(jì)算確定大于等于2的合理值，使通入的水蒸氣完全分解。并且，質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4的剖面形狀為圓形、方形、三角形、梯形或多邊形。
[0044]抽氫真空管道7、抽氧真空管道8、氫氣出口9、氧氣出口 10由密封材料構(gòu)成，其管道截面可以但不僅限于圓形。集熱器開(kāi)口 11、復(fù)合拋物面聚光器12和反應(yīng)室13由絕熱密封材料構(gòu)成，其中集熱器開(kāi)口 11可以但不僅于圓錐面，反應(yīng)室13可以但不僅限于圓柱腔室。
[0045]本實(shí)施例中，質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3、氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4分別連接至不同的真空栗，質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3的氫分壓和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4中的氧分壓低于10—5atm，但本發(fā)明并不以此為限，只要質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3內(nèi)的氫分壓低于在工作溫度下水分解到熱平衡時(shí)的氫分壓，氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4中的氧分壓低于在工作溫度下水分解到熱平衡時(shí)的氧分壓即可。一般情況下，氫分壓和氧分壓只要低于10—3atm即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，若水蒸氣入口處壓力大于一個(gè)大氣壓，則所需維持的氫分壓和氧分也相應(yīng)上升。并且，兩腔室的氧分壓和氫分壓可以相同，也可以不同，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限制。
[0046]需要說(shuō)明的是，雖然本實(shí)施例中采用真空栗來(lái)控制質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3內(nèi)的氫分壓和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4內(nèi)的氧分壓，但本發(fā)明并不以此為限。舉例來(lái)說(shuō):
[0047](I)對(duì)于質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3而言，降低氫分壓的方式不限于本實(shí)施例中使用真空栗的方式，還可以向其中通入不與水蒸氣反應(yīng)的氧化性氣體，例如CO2氣；或者在質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)放入能夠與氫氣結(jié)合的物質(zhì)，例如活性炭;或者在質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)放入能夠吸附氫氣和/或能夠去除氫氣的物質(zhì);或者通入惰性氣體以獲得所需的較低氫分壓。
[0048](2)對(duì)于氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4而言，降低氧分壓的方式不限于本實(shí)施例中利用真空栗的方式，其還可以在氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)通入氫氣等不與水蒸氣反應(yīng)的還原性氣體;或者也可以在氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)放活性炭等能夠與氧氣結(jié)合、能夠吸附氧氣和/或能夠去除氧氣的物質(zhì);或者是通入惰性氣體以獲得所需的較低氧分壓。
[0049]質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5和氧離子導(dǎo)體催化劑6的材料均已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，此處僅給出幾種常用的材料，作為例子，質(zhì)子導(dǎo)體催化劑材料選自以下材料中的一種:Ba3-xKxHx(P04)2(0 <χ< 3)和SrZmY0.Q503—x( O <x< 3)等。氧離子導(dǎo)體催化劑材料選自于以下材料中的一種:BaxSri—xCoyFei—y03-s(0 < x < 1,0 < y < 1,0 < δ<3)，Ce02和Lai—xSrxCoi—yFey03-s(0<x< 1，0<δ<3)等。
[0050]本實(shí)施例交替分解水制取氫氣氧氣裝置可以采用高溫太陽(yáng)能為能量來(lái)源，反應(yīng)溫度控制在1500°C以上，即由蒸汽通道內(nèi)進(jìn)入的水蒸氣的溫度在1500°C以上，并且保證質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)的溫度在1500°C以上。但本發(fā)明并不以此為限。本發(fā)明還可以采用核能和傳統(tǒng)化學(xué)能源。并且，工作溫度在300°C以上就能夠完成本發(fā)明。
[0051]以下介紹本實(shí)施例交替式制取氫氣裝置的工作過(guò)程:
[0052](I)首先通過(guò)真空栗使質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4內(nèi)維持較低氣體分壓，使質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5和氧離子導(dǎo)體催化劑6處于失氫和失氧狀態(tài)；
[0053](2)由水蒸氣入口通入高溫水蒸氣:
[0054]A:當(dāng)高溫水蒸氣流入到質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔I時(shí)，水蒸氣會(huì)部分熱解為氫氣和氧氣，其中氫氣會(huì)和處于失氫狀態(tài)的質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5結(jié)合，使處于失氫狀態(tài)的質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5恢復(fù)至正常狀態(tài)。而由于氣體組分中氫氣減少，使水分解的熱化學(xué)平衡向正向移動(dòng)，水繼續(xù)分解產(chǎn)生新的氫氣和氧氣，但由于和質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5結(jié)合的氫氣量受到真空栗的低壓狀態(tài)所限，水蒸氣的分解率較小。此時(shí)混合氣體中氧氣分壓大于氫氣分壓；
[0055]B:混合氣體繼續(xù)流入氧離子導(dǎo)體反應(yīng)室4中，混合氣體中氧氣將會(huì)和處于失氧狀態(tài)的氧離子導(dǎo)體催化劑6結(jié)合，使處于失氧狀態(tài)的氧離子導(dǎo)體催化劑6恢復(fù)至正常狀態(tài)。由于氣體產(chǎn)物中氧氣量減少，水蒸氣熱解平衡向正向移動(dòng)繼續(xù)產(chǎn)生新的氫氣和氧氣?；旌蠚怏w繼續(xù)流入下一個(gè)交替連接的質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)室中使氫氣繼續(xù)和處于失氫狀態(tài)的質(zhì)子導(dǎo)體催化劑結(jié)合。
[0056]反復(fù)重復(fù)上述過(guò)程，水蒸氣將會(huì)在交替連接的質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4中不斷分解。當(dāng)水蒸氣充分分解后，再重復(fù)真空栗分別抽氫抽氧，使質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5和氧離子導(dǎo)體催化劑6分別處于失氫和失氧狀態(tài)，而后通入新的高溫水蒸氣不斷重復(fù)上述過(guò)程可以使水蒸氣被不斷分解為氫氣和氧氣。
[0057]綜上，水蒸氣將會(huì)被交替分解，整個(gè)裝置宏觀上將水蒸氣分解為氫氣和氧氣并通過(guò)氫氣出口 9和氧氣出口 10被抽出裝置。上述水蒸氣流通過(guò)程也可以顛倒，即先通過(guò)氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔6，再通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔5，不影響裝置效果和裝置保護(hù)范圍。
[0058]經(jīng)過(guò)計(jì)算，水蒸氣各經(jīng)過(guò)10組質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔后，該裝置的水分解率達(dá)到95%以上，不考慮熱量回收，真空栗所耗功以光電轉(zhuǎn)化效率為15%折算成太陽(yáng)能，該裝置從熱能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到40%以上。
[0059]需要說(shuō)明的是，雖然氫氣是本實(shí)施例的主要目的，但氧氣也是有用的。氧氣在醫(yī)療、化工、動(dòng)力等方面的需求量很大。由于質(zhì)子導(dǎo)體催化劑和氧離子導(dǎo)體催化劑對(duì)氫氣和氧氣具有選擇性的特點(diǎn)，制取的氫氣和氧氣純度都非常高。而無(wú)論是高純氫還是高純氧，價(jià)值都很高。目前工業(yè)上大批量制取氫氣主要來(lái)自天然氣重整反應(yīng)，而產(chǎn)物中殘留的一氧化碳不易完全去除;工業(yè)大批量制取氧氣主要來(lái)自空氣液化分離，而空氣成分中含有的氮?dú)?、二氧化碳等成分不易完全分離。因此目前工業(yè)制取高純氫、高純氧均需要多次純化工藝，成本較高。本裝置制取高純氫、高純氧極少含有別的雜質(zhì)，一步到位，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
[0060]二、第二實(shí)施例
[0061]在本發(fā)明的第二個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種交替式制取氫氣裝置，具體為交替促進(jìn)甲烷重整制取氫氣和二氧化碳。本實(shí)施例交替式制取氫氣裝置的結(jié)構(gòu)同樣請(qǐng)參考圖1?圖4。
[0062]關(guān)于集熱器，本實(shí)施例與第一實(shí)施例相同，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。
[0063]請(qǐng)參照?qǐng)D3和圖4，本實(shí)施例中，反應(yīng)器包括:交替設(shè)置并通過(guò)管道連接的若干個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和碳酸根離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(見(jiàn)圖1?4中氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4的位置)、抽氫真空管道7和抽二氧化碳真空管道(見(jiàn)圖1?4中抽氧真空管道8的位置)。
[0064]其中，首個(gè)反應(yīng)腔