CN104169472A - 在电解工艺中利用太阳辐射的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种太阳能驱动装置，其具有：腔室，其具有至少一个光学窗口，用于聚集与射到所述至少一个光学窗口上的太阳能关联的电磁辐射；反应组件，其位于腔室内部，并适于能够实现利用部分地从太阳辐射获得和部分地从电源获得的能量，对至少一种原料流体实施电解工艺；一个或多个导入单元，其能操作以容许将原料流体引入所述装置内；以及一个或多个导出单元，其能操作以容许从所述太阳能驱动装置排出电解工艺产物。

Description

在电解工艺中利用太阳辐射的装置和方法
技术领域
本发明一般涉及用于实施化学反应的太阳能系统，特别地涉及利用CO2和/或H2O作为它们的原材料的太阳能系统和方法。
背景技术
研发的利用诸如太阳能和风能等丰富的间歇性可再生能源的技术，已经达到或者正接近可接受的效率、可靠性和成本的水平。然而，由于这些能源是间歇性的，并且不存在用于存储电能的经济有效的大型装置，因此太阳能和风能发电目前不适于基本负荷的电供应，而仅能结合其它能源使用，从而供应总电源的相对小部分（5%-20%）。因此，将可再生能源广泛使用的商业化的成功或失败，大大地依赖于用于存储从可再生能源获取的能量、以及长距离运输以能够使该能量输送到非能量收集地区的区域的有效存储装置。
为了克服这些缺点，已建议用于将太阳能转化成化学势能（即燃料）的多种方法。一般而言，从处于充分高温度下的会聚的太阳辐射获得的热能，可用于诱发吸热性化学反应，从而产生可按需使用以提供包含于其中（例如燃料）的能量的产物。这些产物可以燃料形式存储、运输和消耗。
同时，全球CO2排放物对这个星球的健康构成严重威胁。CO2捕获和隔离正发展为可能的解决方案，但用于长期CO2存储的建议解决方案却很有问题且昂贵。
本领域内已建议了多种方法，以在生产富含能量的产物的同时致力于处理CO2的方法中，利用太阳能。这种方法的一个示例是甲烷和CO2重组从而如下所示产生合成气（即氢气和一氧化碳的混合物）：
这种太阳能驱动的甲烷重组以产生清洁燃料的方法已被广泛研究，利用它的其中一个优点是在需要时它可被逆向反应从而产生能量，由此提供以闭环方式操作的选项，并因此提供用于存储和运输太阳能的手段。
还建议了利用诸如太阳辐射等清洁能源进行高温电解的另一示例，主要用于电解水。Stoots, C.M., O’Brien, J.E., Herring, J.S., Condie, K.G. and Hartvigsen, J.J.“爱达荷州国家实验室在用于氢气和合成气生产的高温电解方面的实验研究”，关于高温反应器技术HTR2008的第四届国际主题会议的会议记录（Proceedings of the 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology HTR2008），2008年9月28日-10月1日，美国华盛顿DC，主张用于电解的较高温度降低了该方法所要求的电力总量。该作者也揭示了CO2电解可使用不同金属电极，以及液态或固态聚合物电解质。无污染电解系统的最大效率依赖于诸如光伏驱动系统等清洁源电力系统的效率。在电解过程中，碳可沉积在电极上，这降低了电极效率，并最终停止该过程。
转让给本申请的受让人的国际专利公开文献WO10/013244，揭示了用于化学势能生产的系统和方法。该系统包括：热源，其提供期望温度和能量场下（例如太阳能集热器）的热；电子源，其配置并可操作为发射电子；电场发生器，其产生适于供应足以离解气体分子的能量的电场；以及反应气体室，其配置并可操作为引起电子与分子之间的交互作用，使得电子离解分子以在该反应气体室内产生化合物和离子。
发明内容
在本领域内需要能够提供一种用于在利用太阳能的同时高效高速生产清洁低成本产品的适当解决方案的新途径。
本发明提供用于利用太阳能生产清洁电的新方法和装置，其经济有效的存储，容许在连续基础上按需操作。本发明的技术也提供通过利用CO2作为燃料生产的给料而减少CO2排放。本发明也使将在发电厂以及其它CO2排放设施中捕获的CO2隔离的需要减少了。进一步地，本发明提供用于产生用于液体燃料运输的变化的成本有竞争力的替代选择。
本发明的太阳能驱动装置包括：腔室，所述腔室具有至少一个光学窗口，以引入与太阳能（例如来自太阳能集热器）关联的电磁辐射，反应组件，所述反应组件位于所述腔室内部，适于能够实现对诸如CO2、H2O或其组合物等原料流体（典型地为气体）实施电解工艺。所述装置也具有导入单元，所述导入单元能操作以容许引入原料流体；导出单元，所述导出单元能操作以容许排出电解工艺产物。在太阳能驱动装置内部对原料流体实施电解工艺所需的能量，部分地从入射到至少一个光学窗口上的太阳辐射获得，和部分地从电源获得。
太阳能驱动装置还可包括热电（太阳能到电能）转换单元，所述热电转换单元能操作以将从太阳辐射获得的能量转化成电能，所述太阳辐射或者直接来自太阳辐射，或者间接地经由工作流体获得，所述工作流体由太阳辐射加热并转而用于加热热电转换装置。
从太阳辐射获得能量的至少部分可以化学能形式（例如吸热反应的产物）进行存储，可选地，所存储的化学能用于发电过程中。根据另一实施方式，由太阳能到电能的转换器所发生的电能的至少部分用于电解工艺中。
根据本发明一些实施方式，提供一种腔室内部的反应组件的新构造。所述反应组件包括以间隔开关系在一个或多个阵列内设置的多个反应单元。电磁辐射在腔室内沿着具有大体传播方向的立体角(solid angle)朝反应单元传播。这可以是经由透明光学窗口进入腔室并直接射到反应单元上的太阳辐射的，和/或从腔室壁重新引导的太阳辐射的反射/扩散的、和/或由太阳辐射加热过的腔室壁发射的红外辐射的。
腔室的配置（由腔室壁和至少一个光学窗口的配置限定的腔室几何机构）限定腔室内的电磁辐射分布和传播，因此限定腔室的具有大致均匀辐照的受辐照区域。优选地，反应单元以在所述大致均匀辐照的区域内大致均匀分布的方式设置。反应单元的这种均匀分布，可通过在腔室内部相对于电磁辐射的大致传播方向而大体对称地设置多个反应单元来实现。例如，多个反应单元沿着绕电磁辐射的大致传播方向的大致圆形(环绕)路径的至少一部分，以阵列形式且各反应单元之间等距离地设置。根据另一示例，腔室的光学窗口包括扩散器，且进入腔室的电磁辐射由扩散器重新引导和重新辐射成以宽范围的发射角度。
因此，根据本发明一个较宽泛的方面，提供一种太阳能驱动装置，其包括：
腔室，所述腔室具有至少一个光学窗口，所述至少一个光学窗口用于聚集与射到所述至少一个光学窗口上的太阳能关联的电磁辐射，
反应组件，所述反应组件位于所述腔室内部，并构造为用于利用部分地从太阳辐射获得和部分地从电源获得的能量，对至少一种原料流体实施电解工艺；
一个或多个导入单元，所述一个或多个导入单元能操作以容许将所述原料流体引入所述装置内；
一个或多个导出单元，所述一个或多个导出单元能操作以容许从所述装置排出电解工艺产物。
在腔室和光学窗口构造的多种实施方式中，反应组件（）暴露于经由至少一个光学窗口进入所述腔室的直接式太阳辐射，和/或（）到达反应组件的能量包括已从所述腔室的内壁（例如由一个或多个扩散器）重新引导到所述反应组件上的聚集的太阳辐射；和/或在所述腔室壁由引入到所述腔室的辐射加热过之后，从所述腔室壁产生的红外热辐射。
所述至少一个光学窗口可包括开口；和/或透明元件；和/或适于以宽范围角度重新引导和重新辐射入射太阳辐射的辐射扩散器。
如上所述，具有所述至少一个光学窗口的所述腔室限定受辐照区域。所述反应组件可包括在所述受辐照区域内在一个或多个阵列内以间隔开关系设置的多个反应单元。优选地，所述反应单元以在所述受辐照区域内大致均匀分布的方式设置，例如相对于朝所述受辐照区域传播的辐射的大致传播方向而大体对称地设置，例如以一个或多个圆形或线性的阵列设置。
根据本发明的一些实施方式，所述反应组件包括至少一个反应单元，所述至少一个反应单元包括：内壳体和电导体，所述内壳体具有电极装置和固体膜(solid membrane)，所述电导体附接到所述反应单元并适于传输电以实施所述电解工艺。所述电极装置至少包括外电极和内电极（阴极和阳极，它们中的任一个是外电极，另一个是内电极）。所述电导体包括内电极导体和外电极导体，所述内电极导体和外电极导体设置为使得内电极导体连接到内电极的面朝外部的表面。
例如，所述电极之一位于所述内壳体的面朝外部的表面处，另一电极位于所述内壳体的面朝内部的表面处，所述电导体位于所述内壳体的面朝外部的表面处。
所述反应单元的内壳体的多层结构可包括位于所述电极和所述固体膜之间的至少一个中间层。
所述反应组件还可包括：外壳体，所述外壳体包封所述至少一个内壳体；至少一个导入设备，所述至少一个导入设备能够实现引入待电解的气体；以及至少两个导出设备，所述至少两个导出设备能够实现从所述反应组件排出工艺产物。所述内壳体的所述多层结构可包括具有阴极电极层、电解层和阳极电极层的至少三层。根据一个可能示例，所述阳极位于所述内壳体的面朝外部的表面处，所述阴极位于所述内壳体的面朝内部的表面处，且所述电导体位于所述内壳体的面朝外部的表面处。所述反应组件可具有下列构造之一：（）所述电解层形成内壳体支撑结构，所述阴极电极层和所述阳极电极层沉积或涂覆在所述内壳体支撑结构上，（）所述阴极电极层或所述阳极电极层形成内壳体支撑结构，其余层沉积在所述内壳体支撑结构上。附加地，阴极电极和阳极电极的电导体可位于内壳体支撑构件的同一侧处。所述电解层可由下列材料中的至少一种制成：氧化钇稳定的氧化锆和钆掺杂的二氧化铈。
所述构造可为使得所述反应组件包括适于能够使CO2电解工艺实施的至少一个反应单元、以及适于能够使H2O电解工艺实施的至少一个反应单元。
所述构造还可为使得所述反应组件包括适于能够使CO2或H2O或其组合物的电解工艺实施的至少一个反应单元。
所述反应组件还可包括导入设备，所述导入设备能操作以容许将载气引入所述反应组件，使得它能与所述装置内的O2产物流混合。
根据本发明另一较宽泛的方面，提供一种太阳能驱动式反应组件，其适于位于太阳能驱动装置内并能够实现在所述太阳能驱动装置内对原料流体实施电解工艺，所述反应组件包括：
至少一个内壳体，所述至少一个内壳体构造为多层结构，所述多层结构至少包括外电极、内电极以及位于所述外电极和所述内电极之间的固体膜；
电导体，所述电导体附接到所述内壳体以用于传输电从而实施所述电解工艺，所述电导体包括内电极导体和外电极导体；
至少一个导入设备，所述至少一个导入设备能够实现引入待电解的气体；
至少两个导出设备，所述至少两个导出设备能够实现排出所述工艺产物。
所述构造可以为使得所述电极位于所述内壳体的相对两侧上。所述外电极导体连接到所述外电极的面朝外部的表面。至于内电极导体，它可连接到所述内电极的面朝外部的表面或所述内电极的面朝内部的表面。
根据本发明又一较宽泛的方面，提供一种太阳能驱动装置，其包括：
腔室，所述腔室具有至少一个光学窗口，所述至少一个光学窗口用于聚集与射到所述至少一个光学窗口上的太阳能关联的电磁辐射，具有所述至少一个光学窗口的所述腔室构造为限定受辐照区域，
反应组件，所述反应组件位于所述腔室内部，并构造为用于利用部分地从太阳辐射获得和部分地从电源获得的能量，对原料流体实施电解工艺，所述反应组件包括多个反应单元，所述多个反应单元在所述受辐照区域内在一个或多个阵列内以间隔开关系设置，以在所述受辐照区域内大致均匀分布；
一个或多个导入单元，所述一个或多个导入单元能操作以容许将所述原料流体引入所述装置内；
一个或多个导出单元，所述一个或多个导出单元能操作以容许从所述装置排出电解工艺产物。
根据本发明又另一方面，提供一种用于在太阳能驱动装置内对CO2或H2O或其组合物实施电解的方法，所述太阳能驱动装置包括腔室和反应组件，所述腔室具有至少一个光学窗口以聚集与太阳能关联的电磁辐射，所述反应组件位于所述腔室内部以用于实施电解工艺，所述方法包括：
将所述光学窗口暴露于所述太阳辐射；
将作为CO2或H2O或其组合物的原料流体引入所述装置内，由此引起电解工艺，其中所述电解工艺需要的能量部分地由太阳能提供和部分地由电源提供；以及
容许在所述电解工艺中获得的产物排离所述装置。
附图说明
结合附图，从下文详述示例中将更全面理解和了解本发明：
图1图示太阳能驱动的循环的从CO2到CO和O2的离解的示意图；
图2图示太阳能驱动的水和CO2的同时离解的示意图；
图3A和3B呈现用于将CO2（图3A）以及CO2和H2O转化成合成气的根据本发明一实施方式的太阳能驱动装置的示意性布局图，其中反应单元暴露于直接式太阳辐射；
图4A和4B呈现根据本发明另一实施方式的太阳能驱动装置的示意性布局图，其中反应单元暴露于与射到腔室的光学窗口处的扩散器上的太阳辐射对应的扩散电磁辐射；
图5A和5B呈现用于将CO2（图5A）以及CO2和H2O转化成合成气（图5B）的根据本发明又另一实施方式的太阳能驱动装置的示意性布局图，其中反应单元未暴露于直接式太阳辐射；
图6呈现具有不同横截面的很多不同反应单元；
图7示出用于太阳能驱动装置中不同横截面的多个反应单元的多种阵列配置的示例；
图8示出太阳能驱动装置中管状反应单元的阵列配置的示例；
图9A和9B图示反应单元的两个示意性横截面图，其中电导体在两个图中不同地设置；
图10图示具有外壳体的反应单元的示意性横截面图；以及
图11A和11B图示具有外壳体和具有内壳体的多种导入单元和导出单元的反应单元的示意性横截面图。
具体实施方式
结合附图，从下文详述示例中将更全面理解和了解本发明。
在该公开内容中，用语“包括”用来表示具有开放式意义，使得当阐述第一元件包括第二元件时，第一元件也可包括不一定在本文中标识或描述、或者在权利要求书中记载过的一个或多个其它元件。
在以下描述中，为了解释目的，阐述了很多具体细节以便于透彻理解本发明。然而，应该清楚的是，本发明也可以在没有这些具体细节、或同时利用其它细节的情况下实施。
图1图示太阳能驱动的循环的从发电厂排放的CO2到CO和O2的离解的示意图。CO与在该过程中所产生的氧气的富氧燃烧，消除了对于该燃烧之后的废气洗涤和分离的需要。在图1所示的过程中，CO2离解产物，即CO和O2，馈送回发电厂，从而替代原始燃料。
这种方法的优点在于：
·太阳能驱动大型电力设备模块、优选地为组合的循环电站，因此受益于组合循环电站的很高效率；
·能量存储可以低成本的方式、并通过使用现成装置来利用（气体燃料存储）；
·清洁发电——通过利用富氧燃烧而减少污染；
·替代昂贵且潜在地危险的隔离的同时，以低成本方式减少CO2排放；
·由于氧气与CO燃烧的产物是相对清洁的CO2，因此不需要将CO2与其它排放气体分离。
图2图示太阳能驱动的水和CO2同时离解的过程的示意图。水离解成H2和O2，且CO2离解成CO和O2。在这种示例中，O2回到发电厂以作为燃料用于氧气燃烧，而CO和H2反应从而产生甲醇，甲醇是众所周知的并且作为汽油替代品也是合格的，甲醇可存储、运输和用于机动车辆中。在替代例中，CO和H2的混合物（合成气）可用作能量源。在两种替代例中，在离解过程中产生的氧气可在发电厂中用于富氧燃烧。
让我们现在考虑一种情况，举例而言，在该情况下，CO2离解成CO和O2，与H2O离解成H2和O2的离解过程一起实施。工作温度介于600℃和1200℃之间。在该过程中，控制CO与H2的摩尔比，然后混合物（合成气）可直接用作气体燃料（例如在电厂或化学工厂中），或可转化成甲醇或其它液态烃，甲醇或其它液态烃可用作运输燃料。
为了简化讨论，以下示例将参照借助于高温电解的CO2离解来描述，即使这些示例也与借助于高温电解的H2O（或CO2和H2O的组合物）离解相关。
现在参见图3A和3B，其图示了根据用于将CO2转化成CO和O2的本发明一实施方式的太阳能驱动装置300的概念性布局图，（图3A）该实施方式可相似地用于将H2O转化成H2和O2（根据情况伴随着必要的变化）或者用于将CO2和H2O转化成合成气（图3B）。装置300包括腔室305，腔室305具有光学窗口（例如开口）310，太阳辐射穿透过光学窗口310进入腔室305。设置在腔室305内部的是反应装置，通常在315处，反应装置在当前示例中由多个反应单元600形成，上述多个反应单元600直接暴露于电磁辐射，所述电磁辐射是经由光学窗口进入腔室的太阳辐射、或者来自腔室壁的太阳辐射的反射/扩散、和/或由太阳辐射加热的腔室壁所发射的红外辐射。在图3A和3B的当前示例中，光学窗口310是开口或透明板，因此所述反应装置直接暴露于聚集的/引入的太阳辐射。
如图3A所示，接收到的电磁辐射在腔室内以箭头A指示的立体角传播，并具有大体传播方向D，因此限定了腔室内部的受辐照区域。反应装置（反应单元阵列）与腔室的受辐照区域对准。优选地，腔室的几何结构和光学窗口构造为在受辐照区域内提供大致均匀辐照，多个反应单元600以在受辐照区域内大致均匀分布的方式设置，这一点将在后文更具体描述。
（会聚的）太阳辐射经由光学窗口310进入腔室305，并直接射到反应单元600，由此提供达到期望操作条件（温度、通量分布等）所需的能量的相当大部分。具有到达反应单元600的直接会聚式太阳辐射的配置的主要优点之一是它能够实现极高温和提高的能量效率。给反应单元提供的能量的另一部分，获自于作为扩散的太阳辐射、或者在腔室壁由引入腔室的太阳辐射加热过之后从腔室壁产生的红外热辐射，由腔室壁重新引导的辐射。
在装置300内还提供用于将反应材料馈送到装置300内的导入单元320、以及用于从所述装置排出电解产物的导出单元325和330。因此，CO2经由导入单元320馈送进所述装置，并经由集管（该附图中未示出）或者通过使用本领域内本身已知的其它任何可应用装置，输送到反应装置315。应当注意，反应单元600可以串联流配置、或并联流配置、或两者结合的方式，而构造成，其中多个反应单元可与包括在太阳能驱动装置内的所有反应单元关联、或者与反应单元组关联，每个反应单元组均包括特定数量（所有组不一定数量相等）的反应单元。
然后，电解产物，作为O2（经由导出单元325）和CO（或CO和非离解的CO2的组合物），通过导出单元330从装置300排出。
同时，当CO2离解发生时，非反应气体经由导管335循环流通。这种气体可以是非反应气体CO2或其它任何可应用气体（例如空气），这种气体被加热（在这种示例中，主要由重新引导的辐射加热），当加热时，可选地在腔室内流通并输送到热电转化器340，以用于发生电或其它任何形式的可转移能量。因此所发生的电可转而用作实施电解工艺所需要的能量的一部分，所述一部分从电源获取。用于电解工艺所需的电也可由诸如光伏电池等外部太阳能发生源来部分地或全部地提供。在图3B中示出根据情况伴随有必要变化的用于将CO2和H2O转化成合成气的相似工艺，其中添加了附加的H2O导入单元321，并且H2O被输送到反应装置315，而合成气通过导出单元331移离。
图4A和4B示出了本发明的太阳能驱动装置的另一示例，其分别与图3A和3B中所示的大体相似地构造成，其中主要不同是在光学窗口内设置辐射扩散器410。这种辐射扩散器的主要作用之一是在宽范围角度内重新辐射刺射的会聚太阳辐射，以能够使到达反应单元600的辐射更好地分布。接收的电磁辐射以箭头A指示的立体角在腔室内传播，并具有大致传播方向D，由此限定腔室内部的受辐照区域。这种配置的优点是减小窄角直接辐射可引起的热梯度，图3A-3B所示示例中的反应单元将会遭受到窄角直接辐射。这种解决方案作用为减小空间和时间上的温度梯度，并因此减小反应单元和腔室内的热应力。此外，这种解决方案由于来自扩散器的辐射的较大角分布——与直接辐照情况相比降低了遮蔽效应——能够实现在腔室内利用比图3A-3B示例中所示构造更高数量的反应单元。因此，在图4A-4B的示例中，光学窗口由辐射扩散器410、并且还可选地在进入开口处的玻璃窗口310形成，以在腔室内容纳气体。
图5A和5B呈现根据本发明又另一实施方式的太阳能驱动装置500的示意性布局图。装置500包括腔室505，腔室505形成有光学窗口510并容纳呈多个反应单元600形式的反应组件315；装置500具有导入单元520与导出单元525和530、以及循环流通管535，还有热电转换器540。与前述示例相反，在这种示例中，反应单元600设置成，使得它们位于穿透过光学窗口510进入腔室的太阳辐射的光学路径之外，因此它们基本上不暴露于直接太阳辐射。到达反应单元并因此有助于电解工艺的辐射由如下太阳能提供，所述太阳能进入腔室且由腔室壁以箭头A指示的传播立体角和大致传播方向D重新引导导向反应单元600，如前文解释的（即由腔室壁反射的扩散辐射和从腔室的加热壁发射的红外辐射）。这种配置的优点是它有助于减小图3A-3B所示示例中的反应单元将遭受的窄角直接辐射可引起的热梯度。优选地但非必需地，辐射扩散器550邻近腔室505的后壁中的一个或多个安装，以提高最终可到达反应单元600的能量总量。辐射扩散器550的尺寸和形状优选地依赖于多种设计考虑。再次的，如关联图4A-4B讨论的，由于重新引导的辐射的较大角分布——与直接式辐照情况相比降低了遮蔽效应——这种解决方案也能够实现在腔室内利用比图3A-3B示例中所示构造更高数量的反应单元。
参见图6，例示了很多具有不同形状的不同反应单元，例如大致矩形（例如方形）横截面、圆形横截面、三角形或其它任何多边形横截面。
图7图示了不同形状的反应单元的很多配置选项，例如在该附图中示出的是包括呈管状、圆锥状结构、具有诸如多边形（例如三角形）等多种横截面的棱柱、椭圆形、圆形等形状的反应单元的块体轴侧视图。这些反应单元可为任何合适高度，并且以形成任何合适图案的间隔开关系设置。
如上所述，这些反应单元优选地以在腔室的受辐照区域内大致均匀分布的方式设置。受辐照区域转而由光学窗口和/或对入射/发射的辐射重新引导的腔室壁的配置来限定。这种均匀分布可通过如下方式来实现，例如通过沿着大体圆形(环绕)路径的至少一部分成一阵列地设置反应单元且所述单元之间具有相等距离。图8图示太阳能驱动装置中的管状反应单元的阵列配置的示例。
该太阳能驱动装置中的反应单元可设置为，使得电解产物H2和CO在不同（分离）的反应单元中产生。这些电解产物可后续直接在太阳能驱动装置的出口处、或者下游位置处结合。可控制组成气体的摩尔混合比以确保合成气的生产。替代地，太阳能驱动装置中的反应单元可设置有CO2和H2O的混合物，使得电解产物H2和CO在反应单元中一起生产出。然后结合电解产物。可控制引入原料气体的摩尔混合比，以确保合成气的生产。
虽然通过应用由特定材料制成的管状反应单元阐述了上述内容，但应该理解，本发明不局限于这些材料或构造，并且也可应用于根据情况伴随必要的变化的其它设计。
现在参见图9A和9B，其图示了适于用于上述太阳能驱动装置示例中的本发明的反应单元600的构造示例。更具体地，这些附图图示了用于实施利用固体膜的电解工艺的反应单元600的内壳体的示意性横截面。该膜可为固体氧化物，例如YSZ或钆掺杂的二氧化铈，举例而言。
反应单元600的内壳体是限定电极配置的多层结构。在这种特定而非限制性示例中，反应单元是本质上三层的结构，其包括外电极605、膜615、以及内电极620，并可以可选地包括位于电极和膜之间的一个或多个中间层610。并且，本发明与电极（即阴极和阳极）中的哪一个是外电极、哪一个将是内电极无关。
另外，电导体的配置设置为附接到用于传输电的内壳体600，以用于实现电解工艺。电导体包括至少一个内电极导体和至少一个外电极导体。
在一些示例中，电极位于内壳体的相对两侧上。在一些其它示例中，外电极导体连接到外电极的面朝外部的表面，内电极导体连接到内电极的面朝外部的表面。
如图9A和9B中的这些特定的非限制性示例所示，电导体640（外电极导体）连接到外电极605的表面，内电极电导体630或630’（分别在图9A或9B中示出）连接到内电极620的表面，在图9A示例中是电极620的面朝内部的表面，在图9B中是内电极620的面朝外部的表面。
如本领域技术人员将了解的，与需要从太阳能源和电源两者接收能量的工艺中原料流体的太阳能离解相关的主要技术问题之一，涉及在高太阳能通量/热量下电流至反应单元的电流传导，其中这些反应单元暴露于高太阳能通量/热量。在图9A和9B中，图示用于定位内电极导体的两个示例。在存在高O2浓度时，由于其强腐蚀性能，上述技术问题被进一步强化了。举例而言，如果原料流体从外部引入图9A所示配置内的内壳体，则内电极导体630暴露于流通过壳体内部部分的腐蚀性O2流体。将内电极导体630’定位在如图9B中的内电极620的面朝外部的表面上，缓解了这种问题。
图10图示了图9A所示的反应单元的示意性横截面。如可在该具体但非限制性示例中观察到的，反应单元600还可包括外壳体710（其可容纳/输送流体，并提供对内壳体表面周围的流动的控制，以及还可以可选地用作辐射屏蔽）。
如图10进一步例示的，反应单元600包括导入设备720和两个导出设备（例如管）730和740，导入设备720用于引入CO2（和/或H2O）原料气体，两个导出设备730和740用于输送电解产物O2（导出设备730）与CO或CO/CO2（以及在H2O离解的情况下的H2或H2/H2O）（导出设备740）。自然地，对于不同设计，管740可作用为导入设备，而管720可作用为第二导出设备。应当注意，本发明也包括如下情况，其中“CO2导入”实际上是指导入CO+O2混合物，具有相当低的CO浓度，和/或“CO和H2导出”实际上是指CO/CO2和H2/H2O混合物，具有相当高的CO浓度和另外的H2。外电极导体640可穿过外壳体连接或者它可直接连接到传导性外壳体（未示出）。
让我们现在考虑如下示例，其中反应单元是具有外壳体的大致管形形状，原料流体通过外壳体输送同时与外电极互相作用。外电极可为CO2或H2O在其上流动过的阴极，而内电极可为将氧气“发射”进中心管内的阳极。外壳体包括两个流体连接装置：用于CO2的导入管和用于CO/ CO2混合物的导出管。如上文所解释的，导入管可用于输送低CO浓度，且导出管可输送高浓度的CO。另外，CO2/CO/O2气体的组合物可分别被H2O/H2/O2替换或与H2O/H2/O2混合。显然，倘若附加的导入设备添加到内管，则这种示例中的阴极和阳极配置可对换。
图11A图示反应单元600，其与上述示例大体相似，但其中原料气体CO2（和/或H2O）经由导入设备830而馈送进反应单元的内部容积内，而电解产物CO（和/或H2）经由导出设备835移离，然而O2经由导出设备840从外壳体的内部空间收集。在具体实施方式中，如图11B中例示的，与内部容积关联的导入或导出设备是长管，由此原料气体经由馈送管830’’馈送，从周围容积收集的CO/H2产物通过导出设备835移离。在替代例中，流动方向逆向，由此原料气体馈送进周围容积内，而CO/H2产物由收集管收集（未示出）。
在本发明的一些实施方式中，O2电解产物发射进不易燃载气中，例如由可选的导入设备820供应的空气、氮气、CO2或类似物。这种不易燃载气可在由于传导和对流而减小反应单元处的热梯度方面有利。它也可有助于通过减小O2局部压力而降低由O2产物引起的腐蚀。稍后，如果需要，可在另一下游工艺站处将O2从载气中分离出。
应当注意，虽然未具体示出，但该构造可设置为使反应组件包括一组或多组反应单元，其中成组的反应单元包括多个（一般至少两个）内壳体，所述多个内壳体全部位于一共用外壳体内。这些内壳体中的每一个可关联单独的导入和导出设备，使得各内壳体被单独地供以原料流体，而共用外壳体可连接到单一共用导入设备或多个导入设备，且可连接到单一共用导出设备或多个导出设备。如本领域技术人员将会了解的，这种实施方式的阴极和阳极的配置可对换，由此原料流体引入外壳体内部，而O2产物则从与多个内壳体中每一个联接的多个导出设备收集。
可以理解，已通过利用举例提供但无意限制本发明范围的本发明的实施方式的非限制性详述，描述了本发明。应该理解，关于一个实施方式描述的特征和/或步骤可与其它实施方式一起使用，且并非本发明的所有实施方式均具有特定图中示出的或关于实施方式之一描述的所有特征和/或步骤。本领域技术人员将会清楚所述实施方式的变型。
应当注意，上述实施方式中的一些描述了本发明人构思的最佳方式，且因此包括结构、动作、或结构和动作的细节，这些结构、动作、或结构和动作的细节可能不是本发明必须的，仅作为示例描述。本文的结构和动作可由执行相同功能的等同例替代，即使结构或动作不同，如本领域内众所周知的，例如使用处理器来实现被描述为由本发明的检测器所实施功能中的至少一些。因此，本发明的范围仅由权利要求书中使用的元件和限定来界定。当在随附权利要求书中使用时，术语“包括”、“包含”和“具有”及其同源词表示“包括但不限制于”。

Claims (36)

1.一种太阳能驱动装置，包括：
腔室，所述腔室具有至少一个光学窗口，所述至少一个光学窗口用于聚集与射到所述至少一个光学窗口上的太阳能关联的电磁辐射，
反应组件，所述反应组件位于所述腔室内部，并构造为用于利用部分地从太阳辐射获得和部分地从电源获得的能量，对至少一种原料流体实施电解工艺；
一个或多个导入单元，所述一个或多个导入单元能操作以容许将所述原料流体引入所述装置内；
一个或多个导出单元，所述一个或多个导出单元能操作以容许从所述装置排出电解工艺产物。
2.如权利要求1所述的装置，还包括热电转换器，所述热电转换器能操作以将从太阳辐射获得的能量转化成电能。
3.如权利要求2所述的装置，由此流体在所述腔室内循环流通并被加热，且输送到所述热电转换器以进行发电。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，从太阳辐射获得的能量的至少部分以化学能形式进行存储。
5.如权利要求2至4中任一项所述的装置，其中，由所述热电转换器发生的电的至少部分用于所述电解工艺中。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述反应组件暴露于经由所述至少一个光学窗口进入所述腔室内的直接式太阳辐射。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，到达所述反应组件的能量包括下列中的至少一种：已被从所述腔室的内壁重新引导到所述反应组件上的聚集的太阳辐射；以及在所述腔室壁由引入到所述腔室的辐射加热过之后，从所述腔室壁产生的红外热辐射。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括一个或多个辐射扩散器，所述一个或多个辐射扩散器暴露于所述太阳辐射，并能操作以将能量向所述反应组件重新引导和重新辐射。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述至少一个光学窗口包括下列中的至少一种：开口；透明元件；适于以宽范围角度重新引导和重新辐射入射太阳辐射的辐射扩散器。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，具有所述至少一个光学窗口的所述腔室构造为限定受辐照区域，所述反应组件包括在所述受辐照区域内在一个或多个阵列内以间隔开关系设置的多个反应单元。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述反应单元以在所述受辐照区域内大致均匀分布的方式设置。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述反应单元相对于朝所述受辐照区域传播的辐射的大致传播方向而大体对称地设置。
13.如权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，所述反应单元以一个或多个圆形或线性的阵列设置。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述反应组件包括至少两个反应单元，其中，所述反应单元中的至少一个构造为用于对第一原料流体实施第一电解工艺，至少另一反应单元构造为用于对第二原料流体实施第二电解工艺。
15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述反应组件包括：适于能够使CO2电解工艺实施的至少一个反应单元；以及适于能够使H2O电解工艺实施的至少一个反应单元。
16.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述至少一种原料流体包括CO2、H2O、或该两者组合物中的至少一种。
17.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述反应组件包括至少一个反应单元，所述至少一个反应单元包括：内壳体和电导体，所述内壳体包括电极配置和固体膜，所述电导体附接到所述反应单元并适于传输电以实施所述电解工艺，其中，所述电极配置包括至少一个外电极和一个内电极，所述电导体包括内电极导体和外电极导体。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述电极之一位于所述内壳体的面朝外部的表面处，另一电极位于所述内壳体的面朝内部的表面处。
19.如权利要求17或18所述的装置，其中，所述外电极导体连接到所述外电极的面朝外部的表面，所述内电极导体连接到所述内电极的面朝外部的表面。
20.如权利要求17或18所述的装置，其中，所述外电极导体连接到所述外电极的面朝外部的表面，所述内电极导体连接到所述内电极的面朝内部的表面。
21.如权利要求17至20中任一项所述的装置，其中，所述反应单元的内壳体的多层结构包括位于所述电极和所述固体膜之间的至少一个中间层。
22.如权利要求17至21中任一项所述的装置，其中，所述反应组件还包括：
外壳体，所述外壳体包封至少一个所述内壳体；
至少一个导入设备，所述至少一个导入设备能够实现引入待电解的气体；以及
至少两个导出设备，所述至少两个导出设备能够实现从所述反应组件排出所述工艺产物。
23.如权利要求17至22中任一项所述的装置，其中，所述内壳体的所述多层结构包括具有阴极电极层、电解层和阳极电极层的至少三层。
24.如权利要求23所述的装置，其中，所述阳极位于所述内壳体的面朝外部的表面处，所述阴极位于所述内壳体的面朝内部的表面处，且所述电导体位于所述内壳体的面朝外部的表面处。
25.如权利要求23所述的装置，具有下列构造之一：（                                               ）所述电解层形成内壳体支撑结构，所述阴极电极层和所述阳极电极层沉积或涂覆在所述内壳体支撑结构上，（）所述阴极电极层或所述阳极电极层形成内壳体支撑结构，其余层沉积在所述内壳体支撑结构上。
26.如权利要求23至25中任一项所述的装置，其中，所述阴极电极和所述阳极电极的电导体位于内壳体支撑结构的同一侧上。
27.如权利要求20至22中任一项所述的装置，其中，所述电解层由下列材料中的至少一种制成：氧化钇稳定的氧化锆和钆掺杂的二氧化铈。
28.如权利要求23至27中任一项所述的装置，其中，所述反应组件还包括导入设备，所述导入设备能操作以容许将载气引入所述反应组件，使得它能与所述装置内的O2产物流混合。
29.一种太阳能驱动式反应组件，其适于位于太阳能驱动装置内并能够实现在所述太阳能驱动装置内对原料流体实施电解工艺，所述反应组件包括：
至少一个内壳体，所述至少一个内壳体构造为多层结构，所述多层结构至少包括外电极、内电极以及位于所述外电极和所述内电极之间的固体膜；
电导体，所述电导体附接到所述内壳体以用于传输电从而实施所述电解工艺，所述电导体包括内电极导体和外电极导体；
至少一个导入设备，所述至少一个导入设备能够实现引入待电解的气体；
至少两个导出设备，所述至少两个导出设备能够实现排出所述工艺产物。
30.如权利要求29所述的反应组件，其中，所述外电极导体连接到所述外电极的面朝外部的表面，所述内电极导体连接到所述内电极的面朝外部的表面或所述内电极的面朝内部的表面。
31.一种太阳能驱动装置，包括：
腔室，所述腔室具有至少一个光学窗口，所述至少一个光学窗口用于聚集与射到所述至少一个光学窗口上的太阳能关联的电磁辐射，具有所述至少一个光学窗口的所述腔室构造为限定受辐照区域，
反应组件，所述反应组件位于所述腔室内部，并构造为用于利用部分地从太阳辐射获得和部分地从电源获得的能量，对原料流体实施电解工艺，所述反应组件包括多个反应单元，所述多个反应单元在所述受辐照区域内在一个或多个阵列内以间隔开关系设置，以在所述受辐照区域内大致均匀分布；
一个或多个导入单元，所述一个或多个导入单元能操作以容许将所述原料流体引入所述装置内；
一个或多个导出单元，所述一个或多个导出单元能操作以容许从所述装置排出电解工艺产物。
32.如权利要求31所述的装置，其中，所述反应单元相对于朝所述受辐照区域传播的辐射的大致传播方向而大体对称地设置。
33.一种用于在太阳能驱动装置内对CO2、H2O或其组合物中的至少一种实施电解的方法，所述太阳能驱动装置包括腔室和反应组件，所述腔室具有至少一个光学窗口以聚集与太阳能关联的电磁辐射，所述反应组件位于所述腔室内部以用于实施电解工艺，所述方法包括：
将所述光学窗口暴露于所述太阳辐射；
将作为CO2和H2O中的至少一种的原料流体引入所述装置内，由此引起电解工艺，其中所述电解工艺需要的能量部分地由太阳能提供和部分地由电源提供；以及
容许在所述电解工艺中获得的产物排离所述装置。
34.如权利要求33所述的方法，还包括将从所述太阳辐射获得的能量中的一些转化成电能。
35.如权利要求33所述的方法，其中，通过将从所述太阳辐射获得的能量中的一些转化成电能而产生的电能的至少部分用于电解工艺中。
36.如权利要求33所述的方法，其中，将从所述太阳辐射获得的能量的至少部分以化学能的形式存储。
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