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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明提出了一种耦合化学链循环的电辅太阳能热化学制氢系统及方法，该系统由太阳能聚光装置、太阳光分频装置、光伏电池、电辅太阳能热化学循环反应装置、回热装置、惰性气体传热传质控制器、化学链循环反应装置等组成；太阳光经聚光装置和分频装置后被分为长波光和短波光，其中短波光经光伏电池转换为电能为两步法热化学循环提供外部电势，降低热化学循环的反应温度，长波光为两步法热化学循环和化学链循环等提供热量；通过两步法热化学循环分解水制备氢气，耦合化学链循环的氧化步骤能吸收两步法热化学循环还原步产生的氧气，降低两步热化学循环还原步氧分压，提高了反应限度，同时与热化学循环外加的电势协同降低还原温度。

主权项：1.一种耦合化学链循环的电辅太阳能热化学制氢系统，其特征在于，包括太阳能聚光装置1、太阳光分频装置2、光伏电池3、高温水蒸气储存装置4、电辅热化学循环反应装置5、回热装置6、原料水供给装置7、惰性气体传热传质控制器8、气体分离装置9、化学链循环反应装置10、氧气传感器Ⅰ11、氧气传感器Ⅱ12、氧气传感器Ⅲ13、闸阀Ⅰ19、闸阀Ⅱ20、闸阀Ⅲ21、闸阀Ⅳ22，其中：太阳能聚光装置1，将太阳光以高聚光比汇聚，汇聚后的太阳光用于提供反应所需高温；太阳能分频装置2，将太阳光按照波段分为两部分，分别被透射或者反射到光伏部分和光热部分，分频的截止波长和光伏电池的光谱响应特性对应，适用于光伏电池发电的太阳光波段被用于光伏部分发电，其余部分的太阳光被用于光热转换，为热化学循环部分和化学链循环部分提供热量；光伏电池3，用于将太阳能转化为电能，为热化学循环的还原步骤提供外部电势；高温水蒸气储存装置4，用于储存高温水蒸气，并为热化学循环氧载体从氧化温度被加热至还原温度时提供部分热量；电辅太阳能热化学循环反应装置5，由阴、阳电极和固体电解质组成，电极材料由热化学循环的氧载体构成，在还原阶段和氧化阶段给电辅太阳能热化学循环反应装置5施加外部电势，首先在还原阶段，电辅热化学循环反应装置5吸收用于光热转换的太阳能，阴阳电极的氧载体同时被加热，其中阳极氧载体释放氧气产生氧空位，阴极氧载体获得电子后释放的氧离子通过固体电解质迁移到阳极处，氧离子在阳极处失去电子生成氧气，并向阳极处通入惰性气体以吹扫阳极处产生的氧气，随后在氧化阶段停止太阳能输入，向阴极通入H2O，一部分H2O与阴极氧载体反应生成氢气，另一部分水在阴极处获得电子生成氢气，氧离子通过固体电解质迁移到阳极处，填补阳极氧载体形成的氧空位，完成一个循环；回热装置6用于回收上一循环中的余热，并利用到下一循环中，回热装置利用电辅热化学循环反应装置5出口处的高温气体、依次吸收光伏电池3余热和电辅热化学循环还原步氧载体余热产生的高温水蒸气的热量，为冷却水b提供热量并流入原料水供应装置7；原料水供给装置7，用于储存被预热的水，并对原料水进一步加热至热化学循环还原温度；惰性气体传热传质控制器8，用于同时实现惰性气体的按需供给、热量回收、热化学循环还原过程与化学链循环氧化过程的温度匹配，分为传质模块和传热模块，传质模块包含有惰性气体供给装置a、气体分流装置b，传热模块包含太阳能热接收装置c、气体温度传感器d、换热器e；传质模块中的气体分流装置b根据氧传感器Ⅰ11、氧传感器Ⅱ12的信息分别计算热化学循环和化学链循环吹扫所需的惰性气体供给量，由惰性气体供给装置a按所需惰性气体总量以一定的压强输出惰性气体进入传热模块,用气体温度传感器d监测惰性气体温度，当惰性气体依次被加热至化学链、热化学还原温度时，气体分流装置b控制惰性气体分别按照所需流量进入化学链和热化学的还原步骤；传热模块中的换热器e高温入口气体包括电辅太阳能热化学循环反应装置5阳极出口的高温混合气、化学链循环反应装置10出口再生的高温惰性气体，换热器e低温入口气体为惰性气体供给装置a输出的低温惰性气体；经传热模块传热后，电辅太阳能热化学循环反应装置5阳极出口的高温混合气降低到化学链循环氧化温度，实现温度匹配，而低温惰性气体经换热器e被预热到一定温度，流经太阳能热接收装置c并被进一步加热，准备进入下一循环；气体分离装置9，用于分离热化学循环氧化过程结束后的水蒸气和氢气，获得纯净的氢气，同时回收多余的水；化学链循环反应装置10，用于进行化学链循环反应，由还原反应腔室和氧化反应腔室组成，化学链氧载体在还原反应腔室中被加热到还原温度分解释放氧气，被还原的化学链氧载体在氧化反应腔室中吸收热化学循环还原步产生的氧气；氧传感器Ⅰ11，用于监测电辅热化学循环还原步骤的反应进程，对电辅热化学循环还原反应的出口处氧气流量进行检测，根据氧气流量判断热化学循环的还原步骤是否已经结束；氧传感器Ⅱ12，用于监测化学链循环还原步骤氧载体还原程度，对化学链循环还原步骤的出口气的氧浓度进行监测，氧浓度为零说明氧载体还原完成；氧传感器Ⅲ13，用于监测化学链循环氧化步骤的除氧进程，对化学链循环氧化步骤的出口气的氧浓度进行监测，氧浓度不为零说明除氧不完全，需要增加氧载体的用量；闸阀Ⅰ19、闸阀Ⅱ20、闸阀Ⅲ21、闸阀Ⅳ22用于控制所在的流道开闭。

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