太阳能热化学非化学计量氧化还原循环制氢系统效率分析：热力学模型与逆流还原反应器构型评估

本文创新性地建立了太阳能热化学水分解（STCH）系统的热力学模型，重点研究采用间接接触式气固热交换器（HXsg）的非化学计量氧化还原循环（redox cycle）效率。通过对比三种逆流还原反应器构型（单进出口/双出口/双进出口），在还原温度1500°C、70%气固热回收条件下实现10.2%的太阳能-燃料（solar-to-fuel）转换效率，为突破传统固固热交换（95%气体回收+35%固体回收）技术瓶颈提供新思路。

　　

系统描述与操作
研究系统包含三个独立循环：氧化剂（水蒸气）、金属氧化物（MO）和吹扫气体（氮气）。如图1所示，系统核心组件包括氧化反应器、还原反应器、气体分离器、三组气固热交换器（HX_sg）和蒸发器。通过黑体腔式太阳能接收器驱动，金属氧化物在还原反应器中释放氧气（MO_x-δox → MO_x-δred + 1/2O₂），随后在氧化反应器中与水蒸气反应产氢（MO_x-δred + H₂O → MO_x-δox + H₂）。

模型假设
• 理想稳态过程，系统压力为常压
• 气固相化学平衡快速达成
• 忽略热交换器压降与热损失
• 所有气体符合理想气体行为

还原温度的影响
图3a显示三种反应器效率随最高温度（T_max）的变化趋势。当T_max从1200°C升至2000°C时，水转化率倒数（n?_H2O/n?_H2）显著降低，双出口反应器展现出最优性能。这种构型通过调节吹扫气体进出口位置，更接近理想等温操作条件。

结论
研究证实气固热交换器可替代传统固固热回收方案，双出口反应器构型能有效平衡氧分压（p_O2）控制与热力学效率。在Δδ（非化学计量度差）优化条件下，该系统为绿色氢能生产提供了更具工程可行性的技术路径。