近年來，聚光太陽能利用逐漸成為能源領(lǐng)域中的國際前沿?zé)狳c，太陽能熱化學(xué)循環(huán)制取太陽能燃料被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。聚光太陽能可實現(xiàn)不同聚光比條件下驅(qū)動碳?xì)淙剂蠀⑴c的化學(xué)反應(yīng)和太陽能互補系統(tǒng)的燃料轉(zhuǎn)化。太陽能燃料制備的主要問題在于熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)溫度高、輻射熱損失大、不可逆損失嚴(yán)重，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低。為解決該問題，中國科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室研究人員提出聚光太陽能化學(xué)鏈循環(huán)方法。該方法的主要原理是：天然氣在聚光太陽能作用下還原載氧體生成CO和H2，被還原的載氧體與空氣等反應(yīng)進(jìn)行載氧體的再生，CO和H2即為所需的太陽能燃料。該方法可將熱化學(xué)反應(yīng)溫度從1000oC以上降低至600oC左右，降低太陽能集熱島的輻射熱損失和熱化學(xué)反應(yīng)的不可逆損失，具有將太陽能利用效率提升約5~10%的潛力。

高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和循環(huán)穩(wěn)定性的載氧體材料是實現(xiàn)聚光太陽能化學(xué)鏈制取太陽能燃料的關(guān)鍵。為提高燃料轉(zhuǎn)化率與合成氣選擇性，工程熱物理所研究人員與美國北卡羅來納州立大學(xué)、西佛吉尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊合作，研制出高反應(yīng)性、高選擇性的復(fù)合離子電子導(dǎo)體（MIEC）載氧體，深入探索復(fù)合離子電子導(dǎo)體載氧體的循環(huán)反應(yīng)性。與單獨離子電子導(dǎo)體載氧體相比，新型復(fù)合載氧體可將反應(yīng)轉(zhuǎn)化率從~20%提升至90%以上，且達(dá)到接近100%的合成氣選擇性；復(fù)合載氧體在50次循環(huán)反應(yīng)中具有較高循環(huán)穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步提高循環(huán)反應(yīng)性、降低反應(yīng)溫度，研究人員從反應(yīng)分離及工藝流程優(yōu)化入手，通過反應(yīng)器的設(shè)計和反應(yīng)循環(huán)的分離過程對化學(xué)鏈制氫反應(yīng)的反應(yīng)路徑進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升反應(yīng)性能。該團(tuán)隊研發(fā)出多孔蜂窩型化學(xué)鏈反應(yīng)器，探究Ni基載氧體在該反應(yīng)器上的天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)性能。與傳統(tǒng)的甲烷重整反應(yīng)制氫（約800oC）相比，通過化學(xué)鏈循環(huán)方法可將反應(yīng)溫度降低至600oC以下，該反應(yīng)溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽能結(jié)合，降低輻射熱損失，提升太陽能利用效率。該反應(yīng)實現(xiàn)甲烷化學(xué)鏈制氫的高效轉(zhuǎn)化，甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上，同時30次循環(huán)反應(yīng)表明其循環(huán)反應(yīng)性與穩(wěn)定性優(yōu)異。聚光太陽能化學(xué)鏈循環(huán)方法實現(xiàn)高效利用太陽能和減少排放溫室氣體，實現(xiàn)高效、低碳、清潔的太陽能利用。

該研究有利于實現(xiàn)聚光太陽能化學(xué)鏈制取太陽能燃料，為解決當(dāng)前聚光太陽能熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)換效率低問題提供方法。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目的支持。

圖1.聚光太陽能與甲烷互補系統(tǒng)

圖2.天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)示意圖

圖3.天然氣化學(xué)鏈制氫反應(yīng)性能結(jié)果