CN114657585A - 一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热‑电耦合的太阳能转化系统及方法，属于新能源技术领域，该系统包括：太阳能聚光装置，用于聚焦太阳能辐射，为系统提供热量；太阳能发电装置，为系统提供电能；固定床反应器，用于接收太阳能聚光装置提供的热量并为反应过程提供封闭空间和保温环境，所述固定床反应器内部为包括阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，燃料生产通过电极材料的还原和氧化两步反应完成；除氧装置，用于及时移除还原反应中产生的氧气；氧化换热器，用于回收氧化反应中排出气体的显热。本发明综合利用热化学和电化学两种驱动力实现太阳能分解水或二氧化碳制备燃料的技术方法，降低传统热化学循环中还原反应的温度，提高系统能量转化效率。

Description

一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法。
背景技术
化石能源不足及其利用造成的严重污染是影响人类长期可持续发展的重要问题。清洁及可再生能源的开发、转化和利用已成为世界范围内的研究热点。在诸多可再生能源中，太阳能储量丰富，分布广泛，清洁无污染，具有巨大的开发潜力。然而太阳能具有能量密度低、间歇性、波动性等缺点，不利于其大规模使用。利用太阳能驱动水分解制氢是实现大规模、集中式、长周期太阳能储存和大规模利用的有效方法，相应技术的研究和发展对于建立清洁低碳、安全高效的能源经济具有重要意义。
以金属氧化物为媒介，通过两步热化学循环分解水制氢，从而将太阳能转化为化学能是太阳能转化的重要途径之一。该循环的原理是利用金属与其氧化物之间(如Zn/ZnO)或者金属的不同价态氧化物之间(如Fe3O4/FeO)的氧化还原反应实现水的分解。第一步为还原反应，金属氧化物在高温(＞1350℃)低氧分压条件下放出氧气，金属离子被还原至单质或较低价态。第二步为氧化反应，可在较低温度(400-1000℃)下进行，被还原的金属氧化物与水蒸气接触并获得其中的一个氧原子，产生氢气，金属离子则被氧化至还原前的状态，即形成最初的金属氧化物。然而目前该技术所需还原温度过高，不但大大增加了聚光成本，也使得系统热损失较高，大大降低了系统的太阳能转化效率。因此，需要提供一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法，以解决上述现有存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热-电耦合的太阳能转化系统及方法，以解决背景技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种热-电耦合的太阳能转化系统，包括：
太阳能聚光装置，用于聚焦太阳能辐射，为系统提供热量；
太阳能发电装置，为系统提供电能；
固定床反应器，用于接收太阳能聚光装置提供的热量并为反应过程提供封闭空间和保温环境，所述固定床反应器内部为包括阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，燃料生产通过电极材料的还原和氧化两步反应来完成，还原反应中，电极材料放出氧气，金属离子被还原，氧化反应中，被还原的电极材料与H2O或CO2反应，生成H2或CO，还原和氧化两步反应由太阳能聚光装置提供的热能和太阳能发电装置提供的电能两方面驱动力联合驱动完成；
除氧装置，用于及时移除还原反应过程中产生的氧气；
氧化换热器，用于回收氧化反应过程中排出气体的显热。
进一步的，所述太阳能聚光装置采用定日镜或碟式聚光器.
进一步的，所述太阳能发电装置采用光伏板组件或太阳能热发电系统。
进一步的，所述固定床反应器为腔体或管体结构，所述固定床反应器外壁面接收太阳能聚光装置聚集的太阳能辐射，从而使固定床反应器的温度升高，间接加热位于固定床反应器内部的活性材料。
进一步的，所述固定床反应器为装有石英窗的腔体结构，石英窗正对着太阳能聚光装置，太阳能聚光装置聚集的太阳能辐射通过石英窗进入固定床反应器内部，直接加热位于固定床反应器内部的活性材料。
进一步的，所述除氧装置包括除氧机构一和/或除氧机构二；
所述除氧机构一包括与固定床反应器连接且用于对流出的氧气降温的冷却器、与冷却器连接的真空泵；
所述除氧机构二包括与固定床反应器连接的还原换热器、与还原换热器的的冷端连接的不活泼气体气瓶，所述还原换热器的热端与固定床反应器连接。
一种热-电耦合的太阳能转化方法，应用于权利要求1-6任一项所述的热-电耦合的太阳能转化系统，包括以下几种反应模式：
反应模式一、还原反应中，采用太阳能聚光装置聚集太阳能进行加热，同时通过太阳能发电装置加入外电压辅助驱动，使阴极材料被还原，材料中氧离子经氧导体电解质传输至阳极转化为氧气放出；
氧化反应中，通入H2O与阴极材料反应产生氢气，或通入CO2与阴极材料反应生成CO，或同时通入H2O和CO2混合气体与阴极材料反应生成H2与CO混合气，不采用太阳能聚光装置加热，也不外添加外电压辅助；
反应模式二、还原反应中，采用太阳能聚光装置加热驱动，不添加外电压；
氧化反应中，不采用太阳能聚光装置加热，但外加辅助电压驱动，反应过程中通入H2O或CO2，与阴极材料反应生成H2或CO，或同时通入H2O和CO2混合气体与阴极材料反应生成H2与CO混合气；
阴极反应产生的氧离子经氧导体电解质传输至阳极材料；
反应模式三、还原反应中，采用太阳能聚光装置加热驱动，不添加外电压；
氧化反应中，不采用太阳能聚光装置加热，但外加辅助电压驱动，反应过程中通入H2O，与阳极材料反应，氧化其中的金属离子，产生氧离子和质子，质子经质子导体迁移进入阴极，并在阴极表面与电子结合生成H2。
进一步的，当采用反应模式一时，阴极材料采用还原焓高于水蒸气形成能的金属氧化物，包括TiO2及其掺杂固溶体、CeO2及其掺杂固溶体或以Ce、Ti、Mn及其相互混合作为B位元素的钙钛矿，电解质材料采用氧离子导体类型的金属氧化物，包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)；
当采用反应模式二时，阳极材料采用还原焓低于水蒸气形成能的金属氧化物，包括以Fe、Co、Ni、Cr、Cu及其相互混合作为主要B位元素的钙钛矿，电解质材料采用氧离子导体类型的金属氧化物，包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)；
当采用反应模式三时，阳极材料采用还原焓低于水蒸气形成能的金属氧化物，如以Fe、Co、Ni、Cr、Cu及其相互混合作为主要B位元素的钙钛矿，电解质材料采用质子导体类型的金属氧化物，包括铈酸钡(BaCeO3)、锆酸钡(BaZrO3)以Ce、Zr为主要B位金属的钙钛矿。
本发明的上述技术方案至少包括以下有益效果：
1、本发明提供的热-电耦合的太阳能转化系统和方法与传统的太阳能两步热化学循环分解H2O或CO2制备H2或CO技术相比可以有效降低还原反应所需温度，从而降低太阳能聚焦所需成本，也降低系统温度过高带来的大量散热损失；
2、相比于基于光伏电解水的太阳能制氢技术，本发明提供的热-电耦合的太阳能转化系统和方法可以有效提高热能占比，实现太阳能全光谱利用，提高系统能量转化效率。
附图说明
图1为本发明热-电耦合的太阳能转化系统示意图；
图2为本发明所述实施例1所涉及的太阳能热-电耦合分解H2O制H2的系统和方法示意图；
图3为本发明所述实施例1阴极材料为氧化铈时不同外加电压条件下的还原温度；
图4为本发明所述实施例1分解水时不同反应条件下能达到的太阳能-氢能转化效率；
图5为本发明所述实施例2和3所涉及的太阳能热-电耦合分解H2O制H2的系统和方法示意图。
其中：1、太阳能聚光装置；2、太阳能发电装置；3、固定床反应器；4、真空泵；5、还原换热器；6、氧化换热器；7、冷却器；8、冷凝器；9、不活泼气体气瓶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-5，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
下面以反应模式一分解H2O生产H2为例对实施方式进行举例说明。
当系统采用反应模式一运行时，系统通过阴极材料的还原和氧化两步反应分别达到放氧和分解水生产氢气的目的。还原反应中需要将产生的氧气及时移出固定床反应器以促进反应的进行，可选择真空泵4除氧、不活泼气体吹扫除氧和两种方式相结合的除氧方式。
具体地，不活泼气体由不活泼气体气瓶9盛装，不活泼气体气瓶9内盛装的不活泼气体为氩气、氦气或氮气，不活泼气体气瓶9与还原换热器5配合使用，使用时，在固定床反应器前面依次连接还原换热器4和不活泼气体气瓶9，不活泼气体由不活泼气体气瓶9流出后进入还原换热器5冷端进行预热，随后进入固定床反应器3，将产生的氧气吹扫带出固定床反应器3，流出固定床反应器3的高温混合气体进入还原换热器5的热端，用于加热冷端的不活泼气体；或者，在固定床反应器3后依次连接冷却器7和真空泵4，冷却器7用于将流出的氧气降温，真空泵4用于抽出氧气并维持系统低压。或者，同时采用不活泼气体吹扫和真空泵抽取的方式除氧。
本实施例中，以真空泵4除氧对其实施方法进行进一步具体说明。
参见图2，在此实施例中，本系统主要包括：
太阳能聚光装置1，用于聚焦太阳能辐射，为反应系统提供热量，太阳能聚光装置1采用现有技术定日镜；
太阳能发电装置2，为反应系统提供电能，太阳能发电装置2采用现有技术光伏板组件；
固定床反应器3，可以接收太阳能聚光装置1聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境，固定床反应器3为装有石英窗的腔体结构，石英窗正对着太阳能聚光装置1，太阳能聚光装置1聚集的太阳能辐射通过石英窗进入固定床反应器3内部，直接加热位于固定床反应器3内部的活性材料；冷却器7，用于冷却还原反应产生的氧气；
真空泵4，用于将氧气抽出反应系统并维持系统低压；
氧化换热器6，用于回收氧化反应过程中流出固定床反应器的气体的显热并加热进入固定床反应器的水或水蒸气；
冷凝器8，用于将流出氧化换热器的气体冷却至室温，水蒸气凝结变成液态水。
固定床反应器3内部为包含阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，制氢过程通过阴极材料的还原和氧化两步反应来完成。
还原反应过程中，太阳能经太阳能聚光装置聚焦后加热固定床反应器，同时，太阳能经太阳能发电装置将太阳能转化为电力，产生的电压作用于反应器内活性材料。阴极材料被还原，氧离子经氧导体电解质传输至阳极转化为氧气放出。还原反应进行的条件为：
Figure BDA0003533176050000061
其中，Δgδ，red、
Figure BDA0003533176050000062
Tred、
Figure BDA0003533176050000063
E、F、R、p0分别为反应的吉布斯自由能变化、阳极材料的标准还原焓、标准还原熵、还原温度、还原氧分压、外加电压、法拉第常数、气体常数、标准压力。由于还原反应受到热和电两种驱动力的作用，其还原温度相比于单纯热驱动的传统两步热化学循环有所降低。
氧化反应过程中，阴极材料与进入固定床反应器的水蒸气反应，吸收其中的氧原子，在阴极材料被氧化的同时，水蒸气被还原产生氢气。氧化反应进行的条件为：
Figure BDA0003533176050000064
其中，Δgδ，ox、
Figure BDA0003533176050000065
Tox、
Figure BDA0003533176050000066
分别为氧化反应吉布斯自由能变化、水分解标准焓变、水分解标准熵变、氧化温度、氢气分压、氧气分压。
本系统和方法的太阳能-氢能的转化效率为：
Figure BDA0003533176050000067
其中，
Figure BDA0003533176050000068
Qred、
Figure BDA0003533176050000069
Wpump、ηadsorption、ηelec分别为氢气产量、氢气高位热值、阴极还原反应吸热、材料加热所需能量、水蒸气加热所需能量、真空泵所需电能、反应器对太阳能的吸收效率、太阳能发电效率。
太阳能吸收效率可通过以下公式计算得到：
Figure BDA00035331760500000610
其中，α、σ、I、C分别为吸收系数、斯特潘-玻尔兹曼常数、太阳能辐射强度和太阳能聚焦倍数。
阴极材料还原放氧所需能量为：
Figure BDA0003533176050000071
其中，δred和δOX分别为其还原和氧化状态下的氧空位浓度。
由于还原反应和氧化反应存在温差，两步反应之间需要对材料进行加热，所需能量为：
Figure BDA0003533176050000072
其中，εsolid为材料回热系数，
Figure BDA0003533176050000073
为材料的比热容。
氧化反应过程中需将水蒸气加热至反应温度，这一部分能量为：
Figure BDA0003533176050000074
其中，εgas为气体回热系数，
Figure BDA0003533176050000075
为水蒸气比热容。
将系统内的氧气抽走，即降低氧分压所需能量为：
Figure BDA0003533176050000076
图3为当采用氧化铈(CeO2)为阴极材料时，其发生还原反应并放氧至CeO1.95状态所需温度。可以看出，当控制氧分压为10-5bar，外加电压为0V时，还原所需温度为1460℃；而添加0.2V外电压，其还原温度可降至1300℃；添加0.4V外电压，还原温度可降至1147℃。在外电压为0.4V的条件下，氧分压由10-5bar升高至10-2bar，其仍具有比最初条件下更低的还原温度。
图4为还原反应条件为1400℃、氧分压10-3bar，不同条件氧化反应温度和水蒸气用量条件下系统和方法所能达到的太阳能转化效率。计算过程中所选取的参数列如表1。可以看出，通过优化反应条件，太阳能向氢能的转化效率可达10％以上。
相同模式下还可以分解CO2，其分解原理及过程与上述分解H2O相一致。
Figure BDA0003533176050000081
表1
实施例2
下面以反应模式二分解H2O生产H2为例对实施方式进行举例说明。
当系统采用反应模式二运行时，系统通过阳极材料的还原和氧化两步反应分别达到放氧和分解水生产氢气的目的。还原反应中需要将产生的氧气及时移出固定床反应器以促进反应的进行，可选择真空泵4除氧、不活泼气体吹扫除氧和两种方式相结合的除氧方式。
具体地，不活泼气体由不活泼气体气瓶9盛装，不活泼气体气瓶9内盛装的不活泼气体为氩气、氦气或氮气，不活泼气体气瓶9与还原换热器5配合使用，使用时，在固定床反应器前面依次连接还原换热器4和不活泼气体气瓶9，不活泼气体由不活泼气体气瓶9流出后进入还原换热器5冷端进行预热，随后进入固定床反应器3，将产生的氧气吹扫带出固定床反应器3，流出固定床反应器3的高温混合气体进入还原换热器5的热端，用于加热冷端的不活泼气体；或者，在固定床反应器3后依次连接冷却器7和真空泵4，冷却器7用于将流出的氧气降温，真空泵4用于抽出氧气并维持系统低压。或者，同时采用不活泼气体吹扫和真空泵抽取的方式除氧。
本实施例中以真空泵4除氧对其实施方法进行进一步具体说明。
参见图5，在本实施例中，本系统主要包括：
太阳能聚光装置1，用于聚焦太阳能辐射，为反应系统提供热量，太阳能聚光装置1采用现有技术碟式聚光器；
太阳能发电装置2，为反应系统提供电能，太阳能发电装置2采用现有技术光伏板组件；
固定床反应器3，可以吸收太阳能聚光装置1聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境，固定床反应器3为腔体结构，固定床反应器3外壁面接收太阳能聚光装置1聚集的太阳能辐射，从而使固定床反应器3温度升高，间接加热位于固定床反应器3内部的活性材料；
冷却器7，用于冷却还原反应产生的氧气；
真空泵4，用于将氧气抽出反应系统并维持系统低压；
氧化换热器6，用于回收氧化反应过程中流出固定床反应器的气体的显热并加热进入固定床反应器的水或水蒸气；
冷凝器8，用于将流出氧化换热器的气体冷却至室温，水蒸气凝结变成液态水。
固定床反应器3内部为包含阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，制氢过程通过阳极材料的还原和氧化两步反应来完成。还原反应过程采用聚焦太阳能驱动，不加外电压。阳极材料在聚焦太阳能的驱动下被还原放出氧气。氧化反应过程中不采用聚焦太阳能加热，但需加外电压辅助驱动。阴极材料与进入固定床反应器的水蒸气反应，放出氢气，产生的氧离子经过氧离子电解质传输至阳极材料。由于该反应模式下采用外电压促进了水分解反应的进行，阳极材料可选择还原焓低于水的生成焓的金属氧化物，从而达到降低还原反应温度的目的。
相同模式下还可以分解CO2，其分解原理及过程与上述分解H2O相一致。
实施例3
下面以反应模式三分解H2O生产H2为例对实施方式进行举例说明。
当系统采用反应模式三运行时，系统通过阳极材料的还原和氧化两步反应分别达到放氧和分解水生产氢气的目的。还原反应中需要将产生的氧气及时移出固定床反应器以促进反应的进行，可选择真空泵4除氧、不活泼气体吹扫除氧和两种方式相结合的除氧方式。
具体地，不活泼气体由不活泼气体气瓶9盛装，不活泼气体气瓶9内盛装的不活泼气体为氩气、氦气或氮气，不活泼气体气瓶9与还原换热器5配合使用，使用时，在固定床反应器前面依次连接还原换热器4和不活泼气体气瓶9，不活泼气体由不活泼气体气瓶9流出后进入还原换热器5冷端进行预热，随后进入固定床反应器3，将产生的氧气吹扫带出固定床反应器3，流出固定床反应器3的高温混合气体进入还原换热器5的热端，用于加热冷端的不活泼气体；或者，在固定床反应器3后依次连接冷却器7和真空泵4，冷却器7用于将流出的氧气降温，真空泵4用于抽出氧气并维持系统低压。或者，同时采用不活泼气体吹扫和真空泵抽取的方式除氧。
本实施例中以真空泵4除氧对其实施方法进行具体说明。
参见图5，在本实施例中，本系统主要包括：
太阳能聚光装置1，用于聚焦太阳能辐射，为反应系统提供热量，太阳能聚光装置1采用现有技术碟式聚光器；
太阳能发电装置2，为反应系统提供电能，太阳能发电装置2采用现有技术光伏板组件；
固定床反应器3，可以吸收太阳能聚光装置1聚焦太阳能产生的热量，并为反应过程提供封闭空间和保温环境，固定床反应器3为管体结构，固定床反应器3外壁面接收太阳能聚光装置1聚集的太阳能辐射，从而使固定床反应器3温度升高，间接加热位于固定床反应器3内部的活性材料；
冷却器7，用于冷却还原反应产生的氧气；
真空泵4，用于将氧气抽出反应系统并维持系统低压；
氧化换热器6，用于回收氧化反应过程中流出固定床反应器的气体的显热并加热进入固定床反应器的水或水蒸气；
冷凝器8，用于将流出氧化换热器的气体冷却至室温，水蒸气凝结变成液态水。
固定床反应器3内部为包含阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，制氢过程通过阳极材料的还原和氧化两步反应来完成。还原反应过程采用太阳能聚光装置1提供的聚焦太阳能驱动，不加外电压。阳极材料在聚焦太阳能的驱动下被还原放出氧气。氧化反应过程中，不采用聚焦太阳能加热，但需加外电压辅助驱动。阳极材料与进入反应器的水蒸气反应，产生的氧离子进入阳极材料，产生的质子经质子导体电解质传输至阴极，并在阴极处与电子结合产生氢气。由于该反应模式下采用外电压促进了水分解反应的进行，阳极材料可选择还原焓低于水的生成焓的金属氧化物，从而达到降低还原反应温度的作用。
综上所述，本发明所展示的热-电偶和的太阳能转化系统和方法，能够利用太阳能生产H2或CO燃料，从而将太阳能转化为化学能。通过结合太阳能产生的热能和电能两种驱动力，可以有效降低还原反应温度，从而降低聚光系统成本，降低系统实际运行过程中的散热损失。氧气和燃料气体在两步反应中分别产生，无需对两侧电极进行隔离密封，无需气体分离。系统有望达到较高的太阳能转化效率，具有很高的推广价值。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，包括：
太阳能聚光装置，用于聚焦太阳能辐射，为系统提供热量；
太阳能发电装置，为系统提供电能；
固定床反应器，用于接收太阳能聚光装置提供的热量并为反应过程提供封闭空间和保温环境，所述固定床反应器内部为包括阴极、电解质、阳极的电解池结构的活性材料，燃料生产通过电极材料的还原和氧化两步反应来完成，还原反应中，电极材料放出氧气，金属离子被还原，氧化反应中，被还原的电极材料与H2O或CO2反应，生成H2或CO，还原和氧化两步反应由太阳能聚光装置提供的热能和太阳能发电装置提供的电能两方面驱动力联合驱动完成；
除氧装置，用于及时移除还原反应过程中产生的氧气；
氧化换热器，用于回收氧化反应过程中排出气体的显热。
2.根据权利要求1所述的热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，所述太阳能聚光装置采用定日镜或碟式聚光器。
3.根据权利要求1所述的热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，所述太阳能发电装置采用光伏板组件或太阳能热发电系统。
4.根据权利要求1所述的热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，所述固定床反应器为腔体或管体结构，所述固定床反应器外壁面接收太阳能聚光装置聚集的太阳能辐射，从而使固定床反应器的温度升高，间接加热位于固定床反应器内部的活性材料。
5.根据权利要求4所述的热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，所述固定床反应器为装有石英窗的腔体结构，石英窗正对着太阳能聚光装置，太阳能聚光装置聚集的太阳能辐射通过石英窗进入固定床反应器内部，直接加热位于固定床反应器内部的活性材料。
6.根据权利要求1所述的热-电耦合的太阳能转化系统，其特征在于，所述除氧装置包括除氧机构一和/或除氧机构二；
所述除氧机构一包括与固定床反应器连接且用于对流出的氧气降温的冷却器、与冷却器连接的真空泵；
所述除氧机构二包括与固定床反应器连接的还原换热器、与还原换热器的的冷端连接的不活泼气体气瓶，所述还原换热器的热端与固定床反应器连接。
7.一种热-电耦合的太阳能转化方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的热-电耦合的太阳能转化系统，包括以下几种反应模式：
反应模式一、还原反应中，采用太阳能聚光装置聚集太阳能进行加热，同时通过太阳能发电装置加入外电压辅助驱动，使阴极材料被还原，材料中氧离子经氧导体电解质传输至阳极转化为氧气放出；
氧化反应中，通入H2O与阴极材料反应产生氢气，或通入CO2与阴极材料反应生成CO，或同时通入H2O和CO2混合气体与阴极材料反应生成H2与CO混合气，不采用太阳能聚光装置加热，也不外添加外电压辅助；
反应模式二、还原反应中，采用太阳能聚光装置加热驱动，不添加外电压；
氧化反应中，不采用太阳能聚光装置加热，但外加辅助电压驱动，反应过程中通入H2O或CO2，与阴极材料反应生成H2或CO，或同时通入H2O和CO2混合气体与阴极材料反应生成H2与CO混合气；
阴极反应产生的氧离子经氧导体电解质传输至阳极材料；
反应模式三、还原反应中，采用太阳能聚光装置加热驱动，不添加外电压；
氧化反应中，不采用太阳能聚光装置加热，但外加辅助电压驱动，反应过程中通入H2O，与阳极材料反应，氧化其中的金属离子，产生氧离子和质子，质子经质子导体迁移进入阴极，并在阴极表面与电子结合生成H2。
8.根据权利要求7所述的热-电耦合的太阳能转化方法，其特征在于，当采用反应模式一时，阴极材料采用还原焓高于水蒸气形成能的金属氧化物，包括TiO2及其掺杂固溶体、CeO2及其掺杂固溶体或以Ce、Ti、Mn及其相互混合作为B位元素的钙钛矿，电解质材料采用氧离子导体类型的金属氧化物，包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)；
当采用反应模式二时，阳极材料采用还原焓低于水蒸气形成能的金属氧化物，包括以Fe、Co、Ni、Cr、Cu及其相互混合作为主要B位元素的钙钛矿，电解质材料采用氧离子导体类型的金属氧化物，包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)；
当采用反应模式三时，阳极材料采用还原焓低于水蒸气形成能的金属氧化物，如以Fe、Co、Ni、Cr、Cu及其相互混合作为主要B位元素的钙钛矿，电解质材料采用质子导体类型的金属氧化物，包括铈酸钡(BaCeO3)、锆酸钡(BaZrO3)以Ce、Zr为主要B位金属的钙钛矿。
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