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        基于替代燃料的燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)方案探討與性能淺析

        2022-11-16 08:42:10李成杰王紫璇馬松松郭發(fā)福
        動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:液氨內(nèi)燃機(jī)重整

        李成杰, 王紫璇, 李 博, 馬松松, 郭發(fā)福, 劉 禾, 秦 江

        (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 100081;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 智能海洋工程研究院,廣東深圳 518055)

        能源技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展,工業(yè)革命以來(lái),化石燃料的使用支撐著人類向未知的領(lǐng)域探索,拓寬了人們的生存空間。但是化石燃料的大量使用造成了二氧化碳的過(guò)量排放,進(jìn)而導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的發(fā)生[1]。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是解決全球變暖問(wèn)題的重要途徑之一,也是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求[2]。而在交通運(yùn)輸領(lǐng)域,為了降低碳排放,目前的主要技術(shù)手段有提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率[3]和使用低碳替代燃料[4]。目前,常見的提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的手段為發(fā)展電推進(jìn),動(dòng)力終端輸出為電能,進(jìn)而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作;常見的動(dòng)力裝置有鋰電池、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)(ICE)發(fā)電機(jī)。以鋰電池作為主要電能來(lái)源的交通載具在工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了零排放,研究表明全電推進(jìn)會(huì)大幅降低碳排放,但是目前的鋰電池的能量密度低(≈250W·h/kg),無(wú)法支撐載具實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航。而在燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)與鋰電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)中,由于燃?xì)鉁u輪或內(nèi)燃機(jī)一直工作在設(shè)計(jì)工況,所以燃?xì)鉁u輪和內(nèi)燃機(jī)的熱效率有所提高,降低了耗油率[5]。

        使用低碳替代燃料是指使用生物燃料或使用電力燃料來(lái)替代化石燃料,作為一種潛在的低排放手段,受到廣泛關(guān)注[6]。生物燃料是指以動(dòng)植物油脂或農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)為原料,采用加氫法或費(fèi)托合成技術(shù)生產(chǎn)的燃料,使用生物燃料有可能在其生命周期內(nèi)減少高達(dá)80%的二氧化碳排放[7],但生物燃料需要土地和水資源,會(huì)與人們的飲食產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。電力燃料是指使用可再生電力通過(guò)水電解獲得的氫氣以及再合成得到的甲醇、甲烷和氨等燃料[8]。電力燃料作為低碳替代燃料具有可再生和清潔的優(yōu)點(diǎn),是發(fā)展清潔交通的重要技術(shù)手段。

        內(nèi)燃機(jī)從發(fā)明至今已有上百年的歷史,在使用過(guò)程中相關(guān)技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新突破,逐漸趨于成熟,具有經(jīng)濟(jì)性好和變負(fù)載特性好的優(yōu)勢(shì)[9]。為了適應(yīng)新時(shí)期對(duì)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)要求,有學(xué)者研究了基于電力燃料的內(nèi)燃機(jī)性能。2000年,福特汽車公司開始了氫內(nèi)燃機(jī)的研制工作,隨后國(guó)內(nèi)外的汽車公司也進(jìn)行了氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā),2019年,上海汽車集團(tuán)股份有限公司和博世集團(tuán)分別研制了2.0T的缸內(nèi)直噴增壓氫內(nèi)燃機(jī)[10]。使用氨作為內(nèi)燃機(jī)燃料的研究也有很多,Meyer等[11]通過(guò)重新設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)以優(yōu)化化學(xué)動(dòng)力學(xué),結(jié)果表明使用超低NOx排放的純氨是可行的;Lee等[12]提出了一種新的燃燒策略,即使用氨本身作為燃燒促進(jìn)劑,通過(guò)氨氣混合物點(diǎn)火來(lái)完成燃燒,不再使用任何額外的傳統(tǒng)燃料,避免了氨的燃燒惰性。而甲醇也可以作為內(nèi)燃機(jī)燃料,Xie等[13]將1臺(tái)柴油機(jī)改裝為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī),并對(duì)其性能和排放特性進(jìn)行了研究;國(guó)內(nèi)的吉利汽車公司已經(jīng)研發(fā)出了基于甲醇內(nèi)燃機(jī)的重卡[14]。但傳統(tǒng)熱機(jī)的效率受限于卡諾循環(huán),無(wú)法大幅提升。

        燃料電池作為一種新型的發(fā)電裝置,其通過(guò)燃料和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能,規(guī)避了卡諾循環(huán)的限制,具有高效率的優(yōu)勢(shì)[15]。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)是目前最具有應(yīng)用潛力的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)[16]。PEMFC由于工作溫度低(≈60 ℃),目前已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,主要應(yīng)用于汽車和輪船上。SOFC由于具有燃料適應(yīng)性廣、不需要貴金屬作為催化劑、全固態(tài)的優(yōu)點(diǎn)[17],被認(rèn)為是最有前景的燃料電池。但是目前燃料電池的劣勢(shì)在于啟動(dòng)時(shí)間較慢、功率密度低。

        因此,為了平衡燃料電池和內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)劣勢(shì),筆者提出了基于替代燃料的燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng),即將燃料電池單元與內(nèi)燃機(jī)單元組合,共同提供動(dòng)力。這種混合動(dòng)力裝置既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn),又可以發(fā)揮燃料電池高效率、無(wú)污染和低噪聲的好處,二者“并肩戰(zhàn)斗”,取長(zhǎng)補(bǔ)短,不僅可以提高系統(tǒng)的熱效率,而且可以減少?gòu)U氣排放。

        根據(jù)PEMFC和SOFC工作特性的不同,將其分別與內(nèi)燃機(jī)結(jié)合構(gòu)建不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案,PEMFC由于燃料利用率高(可達(dá)95%),因此與內(nèi)燃機(jī)只有熱端和電端的耦合。而SOFC由于燃料利用率低,尾氣內(nèi)含有未反應(yīng)完的燃料,因此與內(nèi)燃機(jī)還存在燃料端的耦合。另外,PEMFC中要求燃料為高純氫,因此在使用除氫氣以外燃料時(shí)還需要進(jìn)行純化,而SOFC則不需要。根據(jù)不同燃料釋放氫氣的方式和條件不同,對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)計(jì)算獲得不同系統(tǒng)方案的發(fā)電效率,為未來(lái)燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論分析。

        1 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

        PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對(duì)于不同的燃料,系統(tǒng)流程略有不同,以氫氣為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)不需要預(yù)熱器、重整器和純化器。以液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng),由于液氨可以分解制氫所以不需要水。而以甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則需要有水來(lái)進(jìn)行蒸汽重整制氫反應(yīng)。對(duì)于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的系統(tǒng),燃料分為兩部分:一部分燃料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入重整器,在重整器內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)生成富氫重整氣,因?yàn)镻EMFC對(duì)燃料的要求是純氫,所以重整氣再進(jìn)入純化器內(nèi)純化,筆者采用鈀管作為純化裝置,氫氣回收率為90%[18],純化后的氫氣進(jìn)入PEMFC內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能;另一部分燃料進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒做功,內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,內(nèi)燃機(jī)尾氣先給燃料預(yù)熱后再給重整器提供熱量。

        (a) 燃料:氫氣

        2 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

        SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)方案圖如圖2所示。與PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)類似,對(duì)于不同的燃料,系統(tǒng)流程也稍有不同:以氫氣為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)不需要重整器;以液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則不需要水;而以甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則需要有水來(lái)進(jìn)行蒸汽重整制氫反應(yīng)。對(duì)于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng),其工作流程為燃料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入重整器內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)生成富氫重整氣,再進(jìn)入SOFC中與經(jīng)SOFC陰極尾氣預(yù)熱后的空氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。SOFC陽(yáng)極尾氣給重整器供熱后再給燃料預(yù)熱,最后通入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒,內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

        (a) 燃料:氫氣

        3 燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

        采用模塊化建模的方法,基于質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和電化學(xué)方程,分別建立了燃料電池模型、重整器模型、內(nèi)燃機(jī)模型和換熱器模型并完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建,通過(guò)物質(zhì)流和能量流分析系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

        3.1 模型假設(shè)

        為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型,進(jìn)行以下假設(shè):

        (1) 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

        (2) 混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的壓降暫不考慮,因?yàn)閾?jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19]報(bào)道,系統(tǒng)中主要部件的壓降很小。

        (3) 忽略空氣中的其他組分,假設(shè)空氣均由氧氣和氮?dú)饨M成,兩者體積比例為21∶79。

        (4) 重整器內(nèi)發(fā)生的重整反應(yīng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)。

        (5) 不考慮系統(tǒng)內(nèi)部件的熱損失。

        3.2 PEMFC模型

        3.2.1 電化學(xué)模型

        PEMFC所涉及的電化學(xué)反應(yīng)方程式如表1所示。

        表1 PEMFC涉及的化學(xué)反應(yīng)Tab.1 Chemical reactions involved in PEMFC

        PEMFC模型采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蚚20],如式(1)~式(5)所示。開路電壓采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,如式(2)[21]所示。損耗計(jì)算如式(3)~式(5)[22]所示。假設(shè)陰極和陽(yáng)極內(nèi)部氣體的溫度均勻且與電堆溫度相同;忽略了熱輻射或內(nèi)部熱傳導(dǎo)的影響。

        U=E-ηact-ηohm-ηconc

        (1)

        (2)

        ηact=a+blogj

        (3)

        ηohm=jRohm

        (4)

        (5)

        式中:U為輸出電壓,V;E為開路電壓,V;ηact為活化極化損失,V;ηohm為歐姆極化損失,V;ηconc為濃度極化損失,V;a為Tafel常數(shù),取0.405 V;b為Tafel斜率,取0.12 V/A;c為常數(shù),取0.10 V;jL為極限電流密度,A/cm2;j為電流密度,A/cm2;logj的底數(shù)為10或e;T為溫度,K;p為壓力,Pa。

        3.2.2 PEMFC模型驗(yàn)證

        PEMFC模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[23]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3所示。在相同電流下,隨著電流的增加,模擬輸出電壓和實(shí)際輸出電壓呈現(xiàn)相同的下降趨勢(shì)。兩者最大誤差為1.0%,具有較好的擬合度,該模型滿足理論計(jì)算的要求。

        圖3 PEMFC模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 PEMFC model verification results

        3.3 SOFC模型

        3.3.1 電化學(xué)模型

        反應(yīng)器后面的氣體流入SOFC陽(yáng)極通道,陽(yáng)極通道主要由甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)饨M成。隨著氫電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,陽(yáng)極通道中的甲烷在催化層的作用下與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)生成氫氣。電化學(xué)模型是燃料電池輸出電壓、電流和各種極化損失的計(jì)算模型。燃料電池的輸出電壓等于能斯特電動(dòng)勢(shì),以消除極化損失。極化損失主要包括濃度極化損失、歐姆極化損失和活化極化損失。具體化學(xué)反應(yīng)方程式及計(jì)算公式如式(6)~式(14)所示。

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        U=UOCP-(ηohm+ηconc+ηact)

        (10)

        ηohm=jRohm

        (11)

        (12)

        (13)

        (14)

        式中:UOCP為能斯特電動(dòng)勢(shì),V;ΔG為吉布斯自由能變化值,J;F為法拉第常數(shù),F(xiàn)=96 485 C/mol;Rohm為電池內(nèi)阻,Ω;R為理想氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);TPEN為電極板溫度,K;j0為交換電流密度,A/cm2;下標(biāo)TPB表示三相界面,ca和an分別表示陰極和陽(yáng)極。

        3.3.2 SOFC模型驗(yàn)證

        SOFC模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[24]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖4所示。該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的擬合度,可滿足理論計(jì)算的要求。

        原來(lái),楊秋香把丈夫親吻妻子的感情事也當(dāng)作討價(jià)還價(jià)的本錢了,她想用這個(gè)辦法讓男人覺得離了她實(shí)在是寂寞,慢慢拗著男人,以后也好事事聽她擺布。然而,事實(shí)恰恰相反:楊力生見老婆絲毫沒(méi)把他放在心上,看著她無(wú)情離去的背影,頓時(shí)覺得心里像吃了個(gè)涼柿子那樣不是滋味兒。他對(duì)她也更加冷淡了。

        3.4 重整器模型

        燃料的化學(xué)重整類型主要有3種類型:蒸汽重整、部分氧化重整和自熱重整。其中,部分氧化重整和自熱重整都不需要吸熱,但是這2種重整方式的制氫率不高,出口氣體的氫氣含量低??紤]蒸汽重整具有制氫率高的優(yōu)勢(shì),采用蒸汽重整的方式制氫,重整所需的熱量由燃料電池尾氣或內(nèi)燃機(jī)尾氣提供。本文燃料涉及的制氫反應(yīng)方程式見式(6)、式(15)和式(16)。

        圖4 SOFC模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 SOFC model verification results

        (15)

        (16)

        化學(xué)反應(yīng)的平衡態(tài)由最小吉布斯自由能法確定,計(jì)算方法如下:

        (17)

        式中:G為吉布斯自由能,J;cp為各組分比定壓熱容,J/(mol·K);H為焓,J;n為物質(zhì)的量,mol;y為逸度比;下標(biāo)i代表物質(zhì)組分,m表示摩爾。

        通過(guò)給定反應(yīng)溫度和壓力,計(jì)算出重整器出口各物質(zhì)含量。

        3.5 內(nèi)燃機(jī)模型

        內(nèi)燃機(jī)模型采用奧托循環(huán)模型,認(rèn)為氫氣和碳?xì)淙剂峡梢猿浞秩紵齕25]。內(nèi)燃機(jī)內(nèi)涉及的燃燒反應(yīng)方程式見表2。

        表2 燃燒反應(yīng)方程式Tab.2 Chemical equations involved in combustion reactions

        采用給定循環(huán)效率和機(jī)械效率的方法計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的有效功率。內(nèi)燃機(jī)的有效效率ηICE為:

        (18)

        式中:PICE為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功,kW;Nin為燃油流量,mol/s;Qnet為燃料低位熱值,kJ/mol。

        4 結(jié)果與討論

        4.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)方案計(jì)算結(jié)果

        PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選取見表3。SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選取見表4。

        表3 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of PEMFC/ICE hybrid power system

        表4 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)Tab.4 Parameters of SOFC/ICE hybrid power system

        PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5可以看出,在內(nèi)燃機(jī)和PEMFC消耗同樣燃料的情況下,PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率在40%以上,這是因?yàn)镻EMFC的效率較高,從而使系統(tǒng)發(fā)電效率上升,而內(nèi)燃機(jī)的效率相對(duì)較低。因此,當(dāng)PEMFC消耗的燃料比例更高時(shí),系統(tǒng)的發(fā)電效率將會(huì)更高。以甲烷和甲醇為燃料的PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率較低,這是由于PEMFC要求燃料為純氫,在以甲醇或甲烷為氫源時(shí),重整制氫后的氣體在純化器中會(huì)損耗部分燃料。

        表5 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算結(jié)果Tab.5 Performance calculation results of PEMFC/ICE hybrid power system

        SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能計(jì)算結(jié)果如表6所示。從表6可以看出,SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上,這是因?yàn)槿剂现饕籗OFC利用,SOFC的效率高,同時(shí)內(nèi)燃機(jī)又利用了剩余的燃料,實(shí)現(xiàn)了燃料的有效利用。以甲烷和液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率高于60%,這是因?yàn)榧淄楹鸵喊钡闹茪浞磻?yīng)需要大量的熱量,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)熱量的回收利用。但是由于SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)中ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣,所以技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高。

        表6 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算結(jié)果Tab.6 Performance calculation results of SOFC/ICE hybrid power system

        4.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)

        圖5和圖6分別給出了PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)和SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)基于不同燃料供應(yīng)的燃料消耗率和碳排放量。其中,考慮了氫氣和甲烷儲(chǔ)存裝置的質(zhì)量,氫氣儲(chǔ)存的質(zhì)量密度為6%,甲烷按相同壓力下的氫氣密度換算,儲(chǔ)存的質(zhì)量密度為32.4%。燃料消耗率和碳排放量的計(jì)算公式如下:

        (19)

        (20)

        式中:f為燃料消耗率,g/(kW·h);qm,fuel和qm,CO2分別為燃料和二氧化碳質(zhì)量流量,g/s;Pele為輸出功,kW·h;eCO2為二氧化碳排放量,g/(kW·h)。

        從圖5和圖6可以看出,以液氨和甲醇作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率較低,這是因?yàn)檫@2種燃料可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)存儲(chǔ),而氫氣和甲烷的液化難度相對(duì)較大,存儲(chǔ)質(zhì)量密度較低。在碳排放指標(biāo)上,氫氣和液氨可實(shí)現(xiàn)零排放。綜合來(lái)看,液氨作為燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料有很大的前景。

        圖5 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)Fig.5 Performance of PEMFC/ICE hybrid power system

        圖6 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)Fig.6 Performance of SOFC/ICE hybrid power system

        5 結(jié) 論

        (1) 在PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)中,當(dāng)PEMFC和ICE燃料流量相同時(shí),該工況下系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)到40%以上。

        (2) SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)到50%以上,以甲烷和液氨為燃料的SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率高于60%。

        (3) 以液氨和甲醇作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率要低于以氫氣和甲烷作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率;在碳排放指標(biāo)上,氫氣和液氨可實(shí)現(xiàn)零排放。

        (4) PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)由于耦合相對(duì)較弱,因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)要相對(duì)容易;而SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)由于ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高。

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