太阳能驱动热化学循环制氢的热力学分析

刘佩枝 闫秋会 杨亚鑫 冯昭

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

太阳能是解决当今能源问题的最优方法之一[1-2]。氢气因具有清洁，高热值以及可储存等显著优势，受到了广泛关注，被视为最具潜力的二次能源以及清洁能源载体[3]。利用资源丰富、低碳清洁的太阳能和水生产氢气的太阳能热化学循环分解水有以下优势[2，4，5]：过程只消耗清洁且丰富的水和太阳能，可以减轻环境污染并缓解能源危机。H2和O2在不同的反应中生成，不存在两者的分离。实现了太阳能的长期储存、长距离运输以及重新分配。将太阳热能转化为氢气的化学能，提升了太阳能品位。

本文计算了筛选出的2 种成熟且适合由太阳能驱动的热化学循环制氢过程的理论能量效率，旨在为未来这2 种制氢过程能量效率的改善指明方向和限度。

1 制氢过程的筛选

到目前为止，可在文献中找到的热化学循环制氢过程有很多种，如何选择具有代表性的工艺，是首先要解决的问题。Abanades 等建立了包含280 种热化学循环制氢的数据库，并在900～2000 ℃范围内对循环进行了评估和筛选，最终筛选出了30 种适合以集中太阳能为驱动热源的热化学循环制氢过程[6]。本文借助其筛选结果进行了进一步的选取，最终选出了Fe3O4/FeO循环和S-I 循环2 种过程，前者属于两步热化学循环，后者属于三步热化学循环，而且2 种循环都是热化学循环制氢过程中研究较多的过程，因此，相比于其它过程，2 种循环也更成熟，2 种循环的反应方程式，反应类型以及反应温度见表1。……