[发明专利]太阳能透氢膜反应装置及使用方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源及可再生能源技术领域，尤其涉及一种太阳能透氢膜反应装置及使用方法。

背景技术

氢气(H₂)作为一种非常重要的能量载体和石油化工原料，在生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应等化工反应中拥有不可替代的位置。此外，氢气作为还原剂，被广泛用于电子工业中多晶硅的制备，以及冶金工业中金属氧化物的还原。另外，在食品加工工业中，氢气用于对许多天然不饱和食用油进行氢化处理，使所得产品可稳定贮存。氢气用途的多样性，使得氢气需求量较大。

现代工业制氢主要有两种方法，第一种是电解水制备氢气，即在充满电解质的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应分解成氢气和氧气，此方法工艺流程简单，运行稳定，操作简便。但电解水制氢需要消耗高品位的电能，制氢成本相对较高。第二种工业制氢方法为天然气重整制氢，反应温度一般为800℃，反应所需能量通常通过燃烧化石能源提供，此工艺存在氢气提纯工艺复杂、操作条件苛刻、设备设计制造要求高、消耗化石能源量较多等问题。

近年来，太阳能作为一种新兴的清洁可再生能源日益受到人们关注，其具有储量巨大、分布广泛等优势。虽然太阳能能流密度相对较低，但随着太阳能聚光技术以及太阳能集热器制造技术的快速发展，使得太阳能的利用方式和应用领域越来越广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能透氢膜反应装置及使用方法。

本发明结合太阳能集热装置和热化学反应器，利用太阳能集热装置为热化学反应提供能量，同时利用选择性透氢膜对热化学反应中生成的氢气实时分离。

本发明太阳能透氢膜反应装置，包括太阳能集热装置和热化学反应器；

所述太阳能集热装置包括太阳能聚光装置和设于太阳能聚光装置下方的太阳能集热管；所述太阳能集热管从外向内依次为增透减反膜、透光玻璃管、金属吸热内管，所述增透减反膜涂覆于所述透光玻璃管外表面，所述透光玻璃管和所述金属吸热内管间形成密封的真空夹层；

所述热化学反应器设于所述金属吸热内管内；所述热化学反应器包括多孔陶瓷基底管，所述多孔陶瓷基底管外表面涂覆有选择性透氢膜；所述多孔陶瓷基底管和所述金属吸热内管间形成热化学反应通道，所述多孔陶瓷基底管内为氢气分离通道。

本发明太阳能集热装置中，太阳能聚光装置用来提高太阳能的能流密度。太阳能集热管用来将太阳能聚光装置聚焦的太阳能量转化为热能，为热化学反应器提供热化学反应所需要的能量。增透减反膜用来有效减小太阳能集热管对太阳光的反射率，增大太阳光的透过率，从而增大太阳能集热管对太阳光辐射能的吸收。透光玻璃管用来最大效率接收经过聚焦的太阳光，同时，与金属吸热内管间形成密封的真空夹层。真空夹层用来有效减小通过太阳能集热管的热对流和热传导所导致的能量损失，从而提高太阳能的利用效率。

本发明热化学反应器中，多孔陶瓷基底管起到支持作用，热化学反应原料气体通入热化学反应通道，在热化学反应通道内进行热化学反应，反应产物中的氢气通过选择性透氢膜透入到氢气分离通道内，从而实现氢气的选择性分离。

作为优选，所述氢气分离通道内设有载气管，通过所述载气管向所述氢气分离通道通入载气，以降低氢气分离通道内的氢气分压，从而保证选择性透氢膜两侧的氢气分压差，给氢气透过选择性透氢膜提供势能，提高氢气透过的速率。

所述载气管的一种具体形式为带喷嘴的射流式载气道，该射流式载气道喷出的高速射流气体可带走氢气分离通道内部分氢气，从而达到降低氢气分离通道内氢气分压的目的。

为便于调节载气管在氢气分离通道内位置，可将载气管设计为长度可调。

作为优选，所述氢气分离通道一端设有真空泵，通过真空泵对氢气分离通道进行抽真空，从而达到降低氢气分离通道内氢气分压的目的。

为了降低氢气分离通道内氢气分压，除了采用上述载气管和真空泵外，还可以直接从氢气分离通道端口向氢气分离通道吹扫载气，同样可以达到降低氢气分离通道内氢气分压，提高氢气透过速率的目的。

作为优选，所述太阳能集热管固定于所述太阳能聚光装置的焦线上，以获得能流密度最大的太阳能。

进一步的，所述选择性透氢膜可以为渗透率高、机械性能好的钯膜或钯合金膜、或 Tb掺杂的BaCeO₃钙钛矿中空纤维陶瓷膜、或Ni-BaCe_0.6Zr_0.2Nd_0.2O_3-δ金属陶瓷双相透氢膜、或对钨酸镧的铕(Eu)位与铼(Re)位进行双掺杂的压片膜。