[发明专利]一种基于氧载体利用太阳能等温分解水制氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氧载体利用太阳能等温分解水制氢的方法，属于能源催化与新能源技术领域。

背景技术

能源与环境是当今两大主题，是决定社会健康、快速发展的主要因素。我国能源与环境面临着诸多的问题：能源过渡消耗，能源严重短缺，环境污染严峻，环境的承载能力已近极限等。能源与环境的关系是相辅相成、相互协调的，而不是相互对立的，要协调好两者的关系。这样才能更好的贯彻党的十八大以来关于生态文明建设的要求和希望。

随着人类消耗能源的快速增长，以石油、煤、天然气为主的含碳化石能源在人类生产、生活中大量已经使用严重破坏了环境与生态平衡，导致的诸多生态与环境问题，如“温室效应”等。在含碳化石能源作为主要资源的当今，根据BP公司（英国石油公司）统计（如图1所示）

可见，依赖工业发展带动经济的发展中国家的能源消耗量占到全球的70%左右。

氢能是一种理想的燃料与能源载体，具有资源丰富、可再生性、环保高效等优点，是除核燃料外的所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中发热值最高的。随着现代工业的快速发展，氢能在各个领域的应用也变得越来越广泛，氢能需求量也日益增长。特别是能源与环境问题日趋严峻的形势下，推动氢能经济的到来对于社会经济可持续发展有着重要的作用。开发廉价、高效的制氢技术能够解决氢能经济的来源，并加快氢能经济的到来。氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源正成为各国大力研究的对象，我国在“863”和“973”计划中均把氢能作为重点研究领域，这充分体现了氢能在能源发展中的战略地位。

化学链燃烧（CLC）技术是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧借助于氧载体的作用而分解为2个气固反应，氧载体与燃料的燃烧反应和氧载体与空气的再生反应，两个反应分别在燃料反应器和空气反应器中进行，且两个反应器反应温度不同，一般燃料反应器温度高于空气反应器温度。燃料与空气无需接触，由氧载体将空气中的氧传递到燃料中（以燃料气CH₄为例），其原理如图2所示。

化学链制氢（CLH）技术是基于化学链（CL）与CLC技术，CLH技术是利用传统原料和水蒸汽借助于氧载体的作用进行两个气固循环反应，其原理就是将图2中的空气反应器改成水蒸汽反应器，并以水蒸汽为原料与氧载体进行反应制取氢气，由于两个反应器的温度差异，因而也称为变温分解水(Temperature-Swing Water Splitting, TSWS)制氢。还原步骤中在700～1000℃下燃料与氧载体反应失去晶格氧（M_xO_y+δCH₄→M_xO_y-δ+δ(2H₂+CO)）；氧化步骤中在400～700℃水蒸汽与氧载体反应恢复晶格氧，同时经过冷凝分离水蒸汽产生纯氢气（M_xO_y-δ+δH₂O→M_xO_y+δH₂）。

太阳能热分解水制氢(Solar Thermal Water-Splitting, STWS)工艺，是以太阳能为热源利用太阳能反应器对水蒸汽进行高温（2700℃左右）热分解水产生H₂和O₂，该工艺已由原来的直接热分解转化为现有的基于CL技术通过氧载体在变温条件下实现分解水制取氢气。变温分解水制氢工艺之所以能够实现是因为在分解水步骤中只有降低温度才能够实现氧载体的恢复，温度过高是不利于制氢反应的。其反应过程与CLC和CLH技术相似被分为两步：还原步骤中氧化物在太阳能的热源下在1400℃下加热是氧载体使其产生氧空位生成MO_x-δ与O₂；氧化步骤中以水蒸汽为氧源在1000℃下与MO_x-δ反应生成MO_x和H₂，如此循环可实现连续产氢（原理见图3所示），从而不仅大大降低了反应温度，而且对反应器的投资成本。

太阳能热分解水制氢能利用多种氧化物（铁基氧化物、钙钛矿氧化物等）为氧载体（MO_x），这些氧化物具有良好的循环性能与反应活性。作为太阳能热分解水制氢氧载体，要实现工业化应用仍然存在许多缺陷：

（1）由于两步反应中存在较大温差，热量损失经常发生在氧载体加热与冷却过程中，使其热量利用效率大大降低；

（2）不可逆的热损失导致材料的活性降低，再次加热材料至活性点时所需要的热量又不足；