[0027] 圖1為本發(fā)明的膜反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 其中，1為太陽能聚光器;2為膜反應(yīng)器;3為氧化側(cè)換熱器;4為還原側(cè)冷卻器;5為 氧化側(cè)冷卻器;6為真空栗。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0030] 參見圖1，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)太陽能聚光系統(tǒng)1、膜反應(yīng)器2、氧 化側(cè)換熱器3、還原側(cè)冷卻器4、氧化側(cè)冷卻器5和真空栗6。太陽能聚光系統(tǒng)1用于聚焦太陽 能;膜反應(yīng)器2用于促使流入的二氧化碳或水蒸汽分解產(chǎn)生一氧化碳或氫氣;氧化側(cè)換熱器 3用于對膜反應(yīng)器氧化側(cè)流出氣體的熱量進(jìn)行回收，同時(shí)對流入膜反應(yīng)器氧化側(cè)的氣體進(jìn) 行預(yù)熱;還原側(cè)冷卻器4用于冷卻膜反應(yīng)器2還原側(cè)流出的氧氣;氧化側(cè)側(cè)冷卻器5用于對流 出氧化側(cè)換熱器的氣體進(jìn)行進(jìn)一步降溫;真空栗6用于抽出還原側(cè)產(chǎn)生的氧氣并保持其內(nèi) 部壓力在較低水平。
[0031] 還原側(cè)連接順序?yàn)?膜反應(yīng)器2的還原側(cè)出口連接還原側(cè)冷卻器4入口；還原側(cè)冷 卻器4出口連接真空栗6入口。
[0032] 氧化側(cè)連接順序?yàn)椋貉趸瘋?cè)換熱器3的冷流體出口與膜反應(yīng)器2的氧化側(cè)入口連 接;膜反應(yīng)器2的氧化側(cè)出口與氧化側(cè)換熱器3的熱流體入口連接;氧化側(cè)換熱器3的熱流體 出口與氧化側(cè)冷卻器5的入口連接。
[0033] 以采用氧化鈰為膜材料的膜反應(yīng)系統(tǒng)為例。將氧化鈰做成致密膜結(jié)構(gòu)，并以此為 核心材料做成膜反應(yīng)器。氧化鈰膜將反應(yīng)器隔離為兩個(gè)區(qū)域，其中一側(cè)為還原側(cè)，用真空栗 將產(chǎn)生的氧氣及時(shí)抽出反應(yīng)區(qū)以維持其內(nèi)部低氧環(huán)境;另一側(cè)為氧化側(cè)，通氧化氣體(水蒸 氣或二氧化碳）。氧化鈰膜不僅能與周圍氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，還起到隔離兩側(cè)氣體和壓 強(qiáng)及橫向傳輸氧離子的作用。
[0034] 利用本發(fā)明的膜反應(yīng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，包括：
[0035] 運(yùn)行時(shí)還原側(cè)氣體流動(dòng)過程為:膜反應(yīng)器2還原區(qū)產(chǎn)生的氧氣由膜反應(yīng)器2還原側(cè) 出口流出后進(jìn)入還原側(cè)冷卻器4進(jìn)行冷卻，經(jīng)真空栗6抽出系統(tǒng)。氧化側(cè)氣體流動(dòng)過程為:二 氧化碳或水(液態(tài)水或水蒸汽）由氧化側(cè)換熱器3冷流體端進(jìn)入氧化側(cè)換熱器，經(jīng)氧化側(cè)換 熱器預(yù)熱后進(jìn)入膜反應(yīng)器2氧化側(cè)，由膜反應(yīng)器2氧化側(cè)出口流出后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器3熱 流體端對流入氣體進(jìn)行預(yù)熱，流出氧化側(cè)換熱器3后進(jìn)入氧化側(cè)冷卻器5進(jìn)一步冷卻至室 溫，最后排出系統(tǒng)。
[0036] 表1是膜反應(yīng)系統(tǒng)在不同還原側(cè)總壓，即氧分壓條件下的能量轉(zhuǎn)化效率，計(jì)算時(shí)所 選參數(shù)參見表2。
[0037] 表1膜反應(yīng)系統(tǒng)在不同溫度(T)和還原側(cè)入口處氧分壓條件下的能量轉(zhuǎn)化 效率(％)
[0039] 注:缺少部分屬因條件限制無法實(shí)現(xiàn)正常反應(yīng)的區(qū)域。
[0040] 表2效率計(jì)算時(shí)需給定的各變量取值
[0042]綜上所述，本發(fā)明的膜反應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為一氧化碳或氫氣的化學(xué)能。 金屬氧化物膜起到與兩側(cè)氣體分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)，隔離兩側(cè)氣體和壓強(qiáng)和橫向傳輸氧 離子的作用；用氣體換熱器對流入和流出反應(yīng)器氧化側(cè)的氣體進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)氣體熱量的 回收；用真空栗將還原側(cè)產(chǎn)生的氧氣及時(shí)抽出以保持其內(nèi)部低氧環(huán)境。相比于該領(lǐng)域內(nèi)其 他反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)，避免了固體材料輸運(yùn)需消耗機(jī)械能的問 題，同時(shí)避免了使用惰性氣體，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，具有很高的推廣價(jià)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽能聚光器（1)和設(shè) 置在其一側(cè)的膜反應(yīng)器(2)，在膜反應(yīng)器(2)的兩側(cè)分別為氧化區(qū)和還原區(qū)，氧化區(qū)設(shè)有氧 化側(cè)換熱器(3)和氧化側(cè)冷卻器(5)，還原區(qū)設(shè)有還原區(qū)冷卻器(4); 氧化側(cè)換熱器(3)的冷流體出口與膜反應(yīng)器(2)的氧化側(cè)入口相連，膜反應(yīng)器(2)的氧 化側(cè)出口與氧化側(cè)換熱器(3)的熱流體入口相連，氧化側(cè)換熱器(4)的熱流體出口與氧化側(cè) 冷卻器(5)的入口相連； 膜反應(yīng)器(2)的還原側(cè)出口與還原側(cè)冷卻器(4)的入口相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，在氧化區(qū) 內(nèi)還設(shè)有真空栗(6)，還原側(cè)冷卻器(4)的出口與真空栗(6)的入口相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述膜反 應(yīng)器(2)的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述的金 屬氧化物為氧化鈰、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物或摻雜金屬離子的鈰基氧化物。5. -種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，其特征在于，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng) 系統(tǒng)，包括： 太陽能聚光器（1 )，用于聚焦太陽能； 膜反應(yīng)器(2)，用于將流入的二氧化碳分解產(chǎn)生一氧化碳，或者將流入的水蒸汽分解產(chǎn) 生氫氣； 氧化側(cè)換熱器(3)，用于回收氣體熱量及對氣體進(jìn)行預(yù)熱； 還原側(cè)冷卻器(4)和氧化側(cè)冷卻器(5)，用于對換熱器流出的氣體進(jìn)行降溫； 基于上述膜反應(yīng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法為： 膜反應(yīng)器(2)產(chǎn)生的氧氣由膜反應(yīng)器(2)的還原側(cè)出口流出后進(jìn)入還原側(cè)冷卻器(4)進(jìn) 行冷卻，然后排出系統(tǒng)； 二氧化碳或水由氧化側(cè)換熱器(3)的冷流體入口進(jìn)入氧化側(cè)換熱器(3)，經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入 膜反應(yīng)器(2)的氧化側(cè)，由膜反應(yīng)器(2)的氧化側(cè)出口流出后進(jìn)入氧化側(cè)換熱器(3)的熱流 體端，經(jīng)預(yù)熱后流出氧化側(cè)換熱器(3)，然后進(jìn)入氧化側(cè)冷卻器(5)冷卻至室溫，最后排出系 統(tǒng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，其特征在于，所述膜反應(yīng)系統(tǒng) 還包括用于抽出還原側(cè)產(chǎn)生的氧氣的真空栗(6)，二氧化碳或水經(jīng)壓縮機(jī)(7)加壓后進(jìn)入氧 化側(cè)換熱器(4)的冷流體端進(jìn)行預(yù)熱。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，其特征在于，所述膜反應(yīng)器 (2)的膜采用金屬氧化物制成的致密膜結(jié)構(gòu)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法，其特征在于，所述的金屬氧化 物為氧化鈰、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物或摻雜金屬離子的鈰基氧化物。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的膜反應(yīng)系統(tǒng)及方法，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。包括太陽能聚光器和設(shè)置在其一側(cè)的膜反應(yīng)器，在膜反應(yīng)器的兩側(cè)分別為氧化區(qū)和還原區(qū)，氧化區(qū)設(shè)有氧化側(cè)換熱器和氧化側(cè)冷卻器，還原區(qū)設(shè)有還原區(qū)冷卻器?？刂埔粋?cè)為低氧環(huán)境，一側(cè)為氧化環(huán)境時(shí)，膜反應(yīng)器能夠與兩側(cè)氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)起到隔離兩側(cè)氣體和壓力，傳輸橫向氧離子的作用。相比于該領(lǐng)域內(nèi)其他反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的連續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)避免了固體材料輸運(yùn)需消耗機(jī)械能的問題。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)化效率，具有很高的推廣價(jià)值。
【IPC分類】C01B31/18, B01J19/12, F24J2/10, C01B3/04
【公開號】CN105597642
【申請?zhí)枴緾N201510727413
【發(fā)明人】呂友軍, 朱利亞
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年10月30日