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An integrated concentrated solar fuel generator utilizing a tubular solid oxide electrolysis cell as solar absorber

电解 太阳能燃料 材料科学 电解质 化学工程 光伏系统 核工程 太阳能电池 电极 化学 光电子学 电气工程 生物化学 物理化学 光催化 工程类 催化作用
作者
Meng Lin,Sophia Haussener
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:400: 592-604 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.08.009
摘要

We numerically assessed the potential of a solar reactor concept for efficient fuel processing under concentrated solar irradiation. This design integrates a cavity receiver, a tubular solid oxide electrolyzer, and the concentrated photovoltaic cells into a single reactor. The tubular electrolyzer simultaneously acts as the solar absorber (for reactant heating) and as the electrochemical device (for water and carbon dioxide splitting). A multi-physics axisymmetric model was developed, considering charge transfer in the membrane-electrolyte assembly, electrochemical and thermochemical reactions at the electrodes' reaction sites, species and fluid flow in the fluid channels and electrodes, and heat transfer for the whole reactor. A high solar-to-fuel efficiency was predicted (18.6% and 12.3% for indirectly and directly connected approaches, respectively, both at CPV = 385 and Cap = 1273). For synthesis gas production, the upper current density threshold to avoid carbon deposition was found to be 8725 A/m2 at reference conditions. A continuous range of H2/CO molar ratios of the synthesis gas was achieved by varying the inlet H2O/CO2 ratio, the irradiation concentration, and the operation current density. Efficiency-optimized operating conditions and design guidelines are presented. Our novel and integrated solar reactor concept for the solar-driven high-temperature electrolysis of H2O and CO2 has the potential to provide a simple, high solar-to-fuel efficiency reactor at reduced cost, all given by the reduced transmission losses of the integrated reactor design.

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