氫燃料電池是可再生能源動力船舶理想的能量儲存方式,但缺乏與能量密度和船舶基本載荷變化特點匹配的儲氫技術。金屬有機骨架材料(MOFs)因其具有孔結(jié)構(gòu)易于調(diào)整以及表面易于修飾的特點,在固體吸附尤其是低溫吸附儲氫領域得到了廣泛研究,但仍未見到有關于MOFs儲氫在船舶上應用的研究報道。為了分析MOFs儲氫在船舶燃料電池電力推進系統(tǒng)中的適用性,本文通過巨正則蒙特卡羅(GCMC)模擬計算確定氫在MOFs孔內(nèi)的吸附相態(tài),并由修正的非定域密度泛函理論(NLDFT)求解MOFs的吸附相比容,確定出影響MOFs低溫吸附儲氫的主要因素,完成儲氫用MOFs的篩選、制備及其放氫性能測試,并針對船舶在典型航行工況下,開展MOFs低溫吸附儲氫系統(tǒng)與燃料電池間的匹配性實驗。主要工作如下:由于MOFs的種類繁多,因此首先需要分析影響氫在MOFs上吸附行為的主要因素,篩選出適宜儲氫的MOFs。為此,以GCMC模擬作為理論分析工具,選擇MOFs晶體數(shù)據(jù)庫中的21種典型MOFs,在確定MOFs的晶體密度、比表面積、比孔容積以及占空比等表征參數(shù)后,在-196℃、10MPa下,進行氫在MOFs上吸附的GCMC模擬;結(jié)果表明,輕質(zhì)...

【文章頁數(shù)】：128 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
主要符號表
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 燃料電池船舶與儲氫方式
        1.2.2 MOFs儲氫現(xiàn)狀
    1.3 本文的研究內(nèi)容與創(chuàng)新點
        1.3.1 研究內(nèi)容
        1.3.2 技術路線
        1.3.3 特色與創(chuàng)新
第2章 MOFs儲氫行為的分析與比較
    2.1 引言
    2.2 MOFs結(jié)構(gòu)
    2.3 GCMC模擬
        2.3.1 勢能模型與參數(shù)
        2.3.2 理論模型
        2.3.3 鏡像晶胞與模擬簡化
        2.3.4 熱力學性質(zhì)的統(tǒng)計
        2.3.5 對比驗證
    2.4 結(jié)果與討論
        2.4.1 影響MOFs儲氫的因素分析
        2.4.2 MOFs的篩選
        2.4.3 吸附相態(tài)的討論
    2.5 小結(jié)
第3章 MOFs的制備、結(jié)構(gòu)分析與PSD計算
    3.1 引言
    3.2 MOFs晶體的制備
        3.2.1 MOFs合成方法
        3.2.2 IRMOF-1 的制備與活化
        3.2.3 MIL-101 的制備與活化
    3.3 MOFs的結(jié)構(gòu)分析
        3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)
        3.3.2 微觀形貌
        3.3.3 熱重分析
        3.3.4 氬的吸附等溫線
    3.4 NLDFT改進算法預測MOFs的 PSD
        3.4.1 基本理論
        3.4.2 PSD計算過程
    3.5 小結(jié)
第4章 氫在MOFs上的吸附平衡與穩(wěn)定性測試
    4.1 引言
    4.2 氫氣的吸附等溫線
        4.2.1 低壓下氫氣的吸附數(shù)據(jù)測試
        4.2.2 高壓下氫氣的吸附數(shù)據(jù)測試
    4.3 氫在MOFs上的吸附平衡分析
        4.3.1 極限吸附熱
        4.3.2 絕對吸附量與等量吸附熱
    4.4 MOFs的穩(wěn)定性實驗
        4.4.1 穩(wěn)定性測試過程
        4.4.2 MOFs的選擇
    4.5 小結(jié)
第5章 MOFs儲氫與船舶燃料電池電力推進系統(tǒng)的匹配實驗
    5.1 引言
    5.2 船舶燃料電池電力推進系統(tǒng)實驗平臺設計
        5.2.1 船舶燃料電池電力推進系統(tǒng)構(gòu)建方案
        5.2.2 原型船及系統(tǒng)工作模式
    5.3 船舶燃料電池電力推進系統(tǒng)實驗平臺構(gòu)成
        5.3.1 氫燃料電池電力推進實驗臺
        5.3.2 充放氫實驗臺
    5.4 實驗方案
        5.4.1 放氫動力學特性測試
        5.4.2匹配性實驗
    5.5 實驗結(jié)果與分析
        5.5.1 放氫動力學特性測試結(jié)果與分析
        5.5.2 匹配性實驗結(jié)果與分析
    5.6 小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
致謝
參考文獻
附錄
在學期間發(fā)表的學術論文



本文編號：3858126