发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种燃料制备装置，具有能量转化率高的特点。

本发明还提供了上述燃料制备装置的应用。

本发明还提供了一种通过上述燃料制备装置制备燃料的方法。

本发明的第一方面，提出了一种燃料制备装置，包括反应器，所述反应器包括电化学氧泵和多孔载体，所述多孔载体与外设燃料原料流连通，所述燃料原料流中的原料在多孔载体中反应生成氧气和燃料，所述电化学氧泵用于将所述氧气抽离所述多孔载体。

根据本发明实施例的一种燃料制备装置，至少具有以下有益效果：

本发明的工作过程主要包括：反应器的氧化物在高温下(300℃-3000℃)，发生还原反应释放氧气，变成还原态，用于还原H₂O/CO₂，生成H₂/CO燃料。通过电化学氧泵，电离反应器中氧化物产生的氧气，加快氧化物向还原态转化的程度与速率，具体为：在电能驱动下，电化学氧泵的阴极电离氧气产生氧离子，氧离子被输运到阳极，失去电子得到氧气。

通过电化学氧泵快速电离热化学还原阶段产生的氧气，同时可以根据氧化物产生氧气的速率，实时调节电化学氧泵的功率，即可以通过调节输入电化学氧泵的功率，实现高效并节能地除氧，能量转化率高、系统效率高。此外，本发明电化学氧泵的输入功率和泵氧量可保持一致，电效率较高。电化学氧泵动态响应快，电化学氧泵的控制变量是电压，还原反应过程中通过调控电流大小即可实现对氧分压的实时调控：在其他条件不变的情况下，电流会随电压瞬间响应，而电流变化体现为阴极上氧气分子的还原速率，所以改变电压能迅速改变阴极氧气的还原速率，从而达到多孔载体内氧气浓度的迅速调控，即可以实时的调整工况，根据需要调控多孔载体内的氧分压。

本发明中用于高温还原过程的热源可以是电能，核能/工业余热，或者是新能源，电化学氧泵的电能可以由电网、发电装置(光伏发电装置或温差发电片)提供，具有更大的应用空间和市场前景。

同时，现今机械真空泵除氧技术中：真空泵要求整个反应器在还原过程中处于低压状态，因此要整体具有良好的气密性，加工工艺要求高。相较于机械真空泵除氧技术，本发明只需反应器内具有良好的气密性即可，即多孔载体与电化学氧泵之间具有良好的气密性，降低了加工难度。

在本发明的一些实施方式中，所述电化学氧泵包括单电池或者电堆中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述电化学氧泵包括氧泵阴极、电解质层、氧泵阳极，所述电解质层位于所述氧泵阴极与所述氧泵阳极之间，所述多孔载体与所述氧泵阴极相邻。

所述多孔载体与所述氧泵阴极相邻是指多孔载体与氧泵阴极可相贴合或者多孔载体与氧泵阴极之间具有间隙。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述氧泵阴极背离所述电解质层的一侧设置有第一集流体。

根据上述实施方式，第一集流体用于汇集电流，有利于多孔载体与氧泵阴极之间的电子流动。通常，第一集流体上设有孔，作为氧气的传递通道。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述氧泵阳极背离所述电解质层的一侧设置有第二集流体。

根据上述实施方式，第二集流体用于汇集电流，有利于氧泵阳极上的电子流动，从而有利于O₂析出。通常，第二集流体上设有孔，作为氧气的传递通道。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述第一集流体和所述第二集流体的材质为金属。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述第一集流体和所述第二集流体的材质为银或金中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述多孔载体为多孔介质氧化物。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述电化学氧泵与多孔介质氧化物的间距为0-2cm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述多孔介质氧化物为金属氧化物或卤化物中的至少一种。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述金属氧化物包括二氧化铈或氧化锌中的至少一种。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述金属氧化物包括掺杂型二氧化铈。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述多孔介质氧化物的孔隙率为0.3-0.99。

在本发明的一些实施方式中，所述反应器包括腔体式反应器、管式反应器或柱状反应器。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述腔体式反应器的形状为圆柱形、圆锥形或方形中的至少一种。

腔体式反应器的形状为方形，指腔体式反应器的形状为长方体或正方体。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述管式反应器的形状为圆柱形管、圆锥形管或方形管中的至少一种。

方形管是指管式反应器的形状为长方体或正方体，内部中空与外界连通。

在本发明的一些实施方式中，所述反应器包括直接式反应器或间接式反应器。

通过上述实施方式，根据加热多孔载体(如多孔介质氧化物)的形式将反应器分为直接式反应器或间接式反应器；其中，直接式反应器主要采用的热源为太阳能和激光等光线性热源，光线可以照射至多孔载体(如多孔介质氧化物)上，加热多孔载体(如多孔介质氧化物)；间接式反应器则是指热源先加热反应器的换热部(如传热层)，热量经换热部再传递至多孔载体(如多孔介质氧化物)。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述直接式反应器包括依次设置的所述电化学氧泵、多孔载体、空腔和透光板，所述多孔载体位于所述电化学氧泵与所述空腔之间，所述透光板位于所述空腔背离所述多孔载体的一侧。

通过上述实施方式，直接式反应器主要采用的热源为太阳能和激光等光线性热源，光线可以穿过透光板(如玻璃板)照射至多孔载体(多孔介质氧化物)上，加热多孔载体(多孔介质氧化物)。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述直接式反应器呈腔体型，所述电化学氧泵和所述透光板构成所述直接式反应器的外层，所述多孔载体与所述透光板之间形成所述空腔；

或者所述直接式反应器呈腔体层型，所述电化学氧泵的两侧设置保温层，所述保温层分别与所述多孔载体的两端、所述透光板的两端相邻，所述多孔载体、所述透光板与所述保温层之间形成所述空腔；

或者所述直接式反应器呈管状，所述直接式反应器内部中空且与外界连通形成空气通道，所述直接式反应器由内而外依次包括空气通道、电化学氧泵、多孔载体、空腔和透光板。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述透光板为玻璃板。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述玻璃板的材料可以为高透光率和耐高温的石英玻璃或者蓝宝石。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述玻璃板的透光率为50％-100％，所述玻璃板的可耐受的温度为500-3000℃。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述保温层的材料为耐高温材料且导热率小于1W/(m·K)。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述保温层的材料为氧化铝。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述间接式反应器包括依次设置的所述电化学氧泵、多孔载体和换热部，所述多孔载体位于所述电化学氧泵和所述换热部之间。

通过上述实施方式，间接式反应器则是指热源先加热换热部，热量再经换热部传递至多孔载体(多孔介质氧化物)。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述换热部包括传热层或换热器中的至少一种。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述换热部包括传热层和换热器，所述传热层位于所述多孔载体和所述换热器之间。

需要说明的是，提供给多孔载体热量为供热装置，当供热装置为核电/工业废水供热装置时，需要通过换热器，将热量传递给传热层，最后实现加热多孔载体(多孔介质氧化物)，当换热器的密封性较好时，可以省略传热层，以减小传热热阻。

当供热装置为太阳光或者激光供热装置时，可以不需要换热器，光线直接加热传热层。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述间接式反应器呈腔体型，所述电化学氧泵位于所述间接式反应器的外侧，所述传热层远离所述多孔载体的一侧形成与空气相通的空腔；

或者所述间接式反应器呈管状，所述间接式反应器内部中空且与外界连通形成空气通道，所述间接式反应器由内而外依次包括空气通道、传热层、多孔载体和电化学氧泵；

或者所述间接式反应器呈管状，所述间接式反应器内部中空且与外界连通形成空气通道，所述间接式反应器由内而外依次包括空气通道、电化学氧泵、多孔载体和传热层。

在本发明的一些实施方式中，所述燃料制备装置还包括供热装置，所述供热装置用于向所述反应器提供热能。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述供热装置包括太阳能供热装置、核能废热供热装置、工业废热供热装置或电能供热装置。

通过上述实施方式，本发明以太阳能、核电/工业余热等为热源，有利于节能减排，减少碳排放。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述供热装置包括聚光光热装置、激光装置、核电/工业余热装置或电池。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述聚光光热发电装置包括塔式发电系统或碟式发电系统中的至少一种。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述聚光光热发电装置包括太阳能聚光器，所述太阳能聚光器包括太阳能旋转抛物面碟式聚光器或太阳能塔式定日镜场聚光器中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述燃料制备装置还包括供热装置，所述反应器为直接式反应器时，所述供热装置为聚光光热装置或激光装置中的至少一种，所述聚光光热装置或激光装置的光线穿过所述透光板照射于所述多孔载体上。

通过上述实施方式，主要工作过程包括：

步骤1)供热装置(如太阳能/激光)通过透光板(如玻璃板)照射到多孔载体(多孔介质氧化物)，多孔载体吸收光能并转化为热能；

步骤2)在高温的条件下，多孔载体中的氧化物发生还原反应，释放出氧气；

步骤3)多孔载体上产生的氧气传递至电化学氧泵的阴极处，发生电离，产生氧离子，并且在电化学氧泵的阳极处氧离子氧化变成氧气；

由于多孔载体上释放的氧气能及时被电离，加快还原反应速率。当步骤2)中的反应达到平衡时，向多孔载体通入H₂O/CO₂，与被还原的多孔载体发生化学反应，生成H₂/CO燃料。

在本发明的一些实施方式中，所述燃料制备装置还包括供热装置，所述反应器为间接式反应器时，所述供热装置与所述传热层相邻，所述供热装置的热量经传热层传输至所述多孔载体。

通过上述实施方式，与直接式反应器对比，间接式反应器主要的区别在于对多孔载体(多孔介质氧化物)加热方式的差别，当供热装置为核电/工业废水时，需要通过换热器，将热量传递给传热层，最后实现加热多孔载体(多孔介质氧化物)，当换热器的密封性较好时，可以省略传热层，以减小传热热阻。

当供热装置为太阳光或者激光时，可以不需要换热器，光线直接加热传热层。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述传热层的材料为高导热率和耐高温材料。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述传热层的材料的导热率大于5W/m/K，可耐受的温度为500-3000℃。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述传热层的材料为金属或者陶瓷中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述燃料制备装置还包括供电装置，所述供电装置与所述电化学氧泵电连接。

通过上述实施方式，本发明的工作过程主要包括：

步骤1)供热装置(如：聚光光热装置或者激光等)为反应器的多孔载体提供合适的工作温度(高温)；

步骤2)高温下，多孔载体的氧化物发生还原反应，产生氧气并传递至电化学氧泵的阳极；

步骤3)供电装置提供电能给电化学氧泵，通过调节电化学氧泵的功率，促使阴极能及时将电离多孔载体上产生的氧气转变为氧离子，在电迁移的作用下，氧离子从电化学氧泵的阴极传递至阳极，并发生氧化反应，转变为氧气。

由于多孔载体上产生的氧气能被及时电离，有利于反应向着生成还原物方向进行；

当步骤2)的反应处于平衡时，向反应器通入H₂O/CO₂，步骤2)产生的还原物与通入的H₂O/CO₂发生反应，产生H₂/CO；

可选择在电化学氧泵的阴阳极外侧加装上集流体(第一集流体和第二集流体)，以便连接供电装置。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述供电装置包括电网、电池或发电装置。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述发电装置包括光伏发电装置或温差发电片中的至少一种。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述电池包括光伏电池。

通过上述实施方式，电化学氧泵采用光伏电池供电驱动，光伏电池的两极分别通过导线与氧泵阳极、氧泵阴极相连，实现太阳能驱动电化学氧泵工作，清洁节能。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述反应器为直接式反应器，所述供热装置为聚光光热装置，所述供电装置为光伏电池。

通过上述实施方式，聚光光热装置通过汇聚太阳光，向反应器提供高温环境(多孔载体吸收光能并转化为热能)，多孔载体中的氧化物发生高温还原反应，释放出氧气。同时，光伏电池供电驱动电化学氧泵，氧气在电化学氧泵阴极发生电离产生氧离子，在电化学氧泵的阳极处氧离子氧化变成氧气。无论是高温还原反应的热能还是用于驱动电化学氧泵的电能均来自太阳能，即本发明的热化学反应装置实现了100％太阳能驱动，节能环保。

本发明的第二方面，提出了上述燃料制备装置在热化学燃料制备中的应用。

本发明的第三方面，提出了一种通过上述燃料制备装置制备燃料的方法，包括如下步骤：将燃料原料流通入多孔载体中，使所述燃料原料流反应生成氧气和燃料，启动电化学氧泵抽离由燃料原料流生成的氧气，收集制得的所述燃料。