[发明专利]基于膜反应器的氨基化学热泵与光伏驱动的高温太阳能共电解制燃料系统

说明书

本发明公开了一种基于膜反应器的氨基化学热泵与光伏驱动的高温太阳能共电解制燃料系统，该系统包括高温共电解系统以及分别与高温共电解系统相连的光伏发电系统和氨基化学热泵系统；该氨基化学热泵系统包括吸热反应器，吸热反应器具有由氢气渗透膜隔开的反应侧和渗透侧；氨基化学热泵系统还包括用于向吸热反应器的反应侧提供太阳能的太阳能集热器，以及用于向吸热反应器的反应侧提供参与氨分解反应的氨气、用于向吸热反应器的渗透侧提供吹扫气体的供气单元。本发明可持续打破氨分解反应的动态平衡，促使反应向产生氮气和氢气的方向进行，从而在低温下下获得较高的氨分解转化率，使系统的太阳能制燃料效率高达到25％以上。

技术领域

本发明属于太阳能光热电解水和二氧化碳制燃料技术领域，具体涉及一种基于膜反应器的氨基化学热泵与光伏驱动的高温太阳能共电解制燃料系统。

背景技术

太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，获取最容易。由于太阳能具有间歇性、低密度、不稳定性、难以持续供应的缺点，纯太阳能热发电的广泛应用目前仍有许多问题需要解决，其中如何实现太阳能高效、大规模的储存，保证太阳能一天持续供给是太阳能热发电技术的关键。为了克服太阳能间歇性的不足，可将太阳能储存在燃料中，例如氢气、一氧化碳等可运输的能量载体。因此，太阳能制燃料是早日实现碳中和的重要方案之一。

近年来，随着固体氧化物电解池(SOEC)的发展，高温电解水(HTE)技术凭借其更高的效率、更好的反应动力学以及更低的电能需求等优势成为极具潜力的制氢技术。因此，结合太阳能光热利用与HTE具有高效、稳定制氢的潜力。

然而，虽然传统太阳能光热发电可以利用更高聚光比的集热系统与更高工作温度的显热储能系统将水加热到HTE所需的温度(700℃以上)，但是高温聚光与储热会造成大量的能量损失并且导致制氢成本的急剧增加；因此需要化学热泵将太阳能进行提质增效。

化学热泵是将利用可逆热化学反应在光照条件下，在相对较低的温度下(500℃)吸收太阳能进行氨分解反应，将太阳能转变为化学能储存在N₂和H₂之中；而N₂和H₂在高温高压的条件下能够进行合成氨反应并释放能量将反应气体加热至较高的温度(700℃)，从而实现将低品位的太阳能转化为高品位的热能的目的。

如公开号为CN113463113A的中国发明专利申请公开了一种光伏与化学热泵耦合的太阳能高温电解水制氢系统及工艺，该太阳能高温电解水制氢系统包括光伏发电系统、氨基化学热泵系统和高温氧化物电解池电解水系统，其中，光伏发电系统与高温氧化物电解池电解水系统连接以为其提供电能，氨基化学热泵系统与高温氧化物电解池电解水系统通过第三换热器耦合连接以为其提供热能。氨基化学热泵系统向高温氧化物电解池电解水系统提供热能的方式为：阳光由定日镜场反射至吸热反应器，储存罐中的液态氨由第一输送泵输送至第一换热器，经过第一换热器进入吸热反应器吸收来自定日镜场集聚的太阳能，同时进行氨分解吸热反应，反应所生成的N₂和H₂先经过第一换热器回流至储存罐中，而后由第二输送泵输送至第二换热器，经过第二换热器进入放热反应器进行合成氨反应；反应生成的氨从放热反应器流出与第三换热器换热，为其提供热能，然后经过第二换热器换热后进入储存罐，如此循环往复，不断为高温氧化物电解池电解水系统提供热能。

然而，上述太阳能高温电解水制氢系统的不足之处在于：氨基化学热泵系统中氨分解反应仍需在500℃下发生，仍旧需要消耗大量的热量；且由于氨分解反应是可逆反应，并不总是朝着生成N₂和H₂的方向发生，使得其氨分解转化率较低，太阳能制氢效率仅在20％左右。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于膜反应器的氨基化学热泵与光伏驱动的高温太阳能共电解制燃料系统，该高温太阳能共电解制燃料系统中氨分解反应温度低，氨分解转化率高，太阳能制燃料效率高。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：