近年來(lái)，聚光太陽(yáng)能利用逐漸成為能源領(lǐng)域中的國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)，太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制取太陽(yáng)能燃料被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的聚光太陽(yáng)能熱利用方式之一。聚光太陽(yáng)能可實(shí)現(xiàn)不同聚光比條件下驅(qū)動(dòng)碳?xì)淙剂蠀⑴c的化學(xué)反應(yīng)和太陽(yáng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的燃料轉(zhuǎn)化。

太陽(yáng)能燃料制備的主要問(wèn)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(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實(shí)驗(yàn)室研究人員提出聚光太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能燃料。該方法可將熱化學(xué)反應(yīng)溫度從1000℃以上降低至600℃左右，降低太陽(yáng)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(yáng)能利用效率提升約5~10%的潛力。

圖1.聚光太陽(yáng)能與甲烷互補(bǔ)系統(tǒng)

高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和循環(huán)穩(wěn)定性的載氧體材料是實(shí)現(xiàn)聚光太陽(yáng)能化學(xué)鏈制取太陽(yáng)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(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)、西佛吉尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(dú)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(guò)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和反應(yīng)循環(huán)的分離過(guò)程對(duì)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。

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

該團(tuán)隊(duì)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800℃）相比，通過(guò)化學(xué)鏈循環(huán)方法可將反應(yīng)溫度降低至600℃以下，該反應(yīng)溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽(yáng)能結(jié)合，降低輻射熱損失，提升太陽(yáng)能利用效率。該反應(yīng)實(shí)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(shí)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(yáng)能化學(xué)鏈循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)高效利用太陽(yáng)能和減少排放溫室氣體，實(shí)現(xiàn)高效、低碳、清潔的太陽(yáng)能利用。

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