JPH0773894A - Fuel cell power generator - Google Patents

Fuel cell power generator

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JPH0773894A
JPH0773894A JP5237126A JP23712693A JPH0773894A JP H0773894 A JPH0773894 A JP H0773894A JP 5237126 A JP5237126 A JP 5237126A JP 23712693 A JP23712693 A JP 23712693A JP H0773894 A JPH0773894 A JP H0773894A
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JP
Japan
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water
fuel cell
power generator
gas
electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP5237126A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masataka Ueno
正隆 上野
Makiyuki Takada
槙之 高田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aisin AW Co Ltd
Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Aisin AW Co Ltd
Equos Research Co Ltd
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Publication date
Application filed by Aisin AW Co Ltd, Equos Research Co Ltd filed Critical Aisin AW Co Ltd
Priority to JP5237126A priority Critical patent/JPH0773894A/en
Publication of JPH0773894A publication Critical patent/JPH0773894A/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
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    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】燃料電池や改質器への水供給にポンプを用い
ず、装置全体を単純化、軽量化し、簡単な構成で燃料電
池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、同時に
燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好適な温
度に下げることができる。 【構成】電解質の両側に燃料極と酸化極とが配されてな
る燃料電池を有する燃料電池発電装置10において、前
記燃料電池10の酸化極からの排出ガスに含まれる水蒸
気を凝縮する凝縮器24と、前記凝縮器24より回収さ
れる凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する制
御手段25とを設けた、燃料電池発電装置10。
(57) [Summary] (Modified) [Purpose] A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell with a simple structure that does not use a pump to supply water to a fuel cell or a reformer, and that simplifies and reduces the weight of the entire device. Can be humidified, and at the same time, the reformed fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell can be lowered to a suitable temperature. In a fuel cell power generator 10 having a fuel cell in which a fuel electrode and an oxidizing electrode are arranged on both sides of an electrolyte, a condenser 24 for condensing water vapor contained in exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell 10. And the control means 25 for forcibly discharging the condensed water collected from the condenser 24 in accordance with the rise in the room pressure.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池、特に固体高分
子型燃料電池、すなわちパーフルオロカーボンスルホン
酸(米国デュポン社製、商品名ナフィオン)等の固体高
分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池を用いる発
電装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, particularly a solid polymer type fuel cell, that is, a solid polymer type fuel cell having a solid polymer membrane such as perfluorocarbon sulfonic acid (trade name Nafion manufactured by DuPont, USA) as an electrolyte. The present invention relates to a power generator using a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】ナフィオン等の固体高分子膜を電解質と
して用いる固体高分子型燃料電池は、小型軽量性に優
れ、また出力密度が高い等の観点より、特に車載に適し
た燃料電池として近年注目されている。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane such as Nafion as an electrolyte has recently attracted attention as a fuel cell particularly suitable for mounting on a vehicle because of its small size and light weight and high output density. Has been done.

【0003】燃料電池の酸化極からは、生成水蒸気と未
反応の空気とを含むガスが排出される。この排ガスを凝
縮器に供給して凝縮水を回収し、更にガスと水とに分離
するための気水分離器が設けられる。気水分離器で分離
されたガスと水はポンプを介して改質器や燃料電池に供
給される。
A gas containing generated steam and unreacted air is discharged from the oxidizing electrode of the fuel cell. A steam separator for supplying the exhaust gas to the condenser to recover the condensed water and further separating the condensed water into gas and water is provided. The gas and water separated by the steam separator are supplied to the reformer and the fuel cell via a pump.

【0004】また、電解質として用いるに適したイオン
導電性を発揮させるためには、上記固体高分子膜を乾燥
させないことが必要である。固体高分子膜の加湿方法と
して特開平3−269955号公報に記載の方法が知ら
れている。この従来技術によれば、改質器を経た改質燃
料ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料供給系に気化
器aおよび加湿器bが設けられると共に、コンプレッサ
により加圧された空気を燃料電池の酸化極に供給する空
気供給系に気化器cおよび加湿器dが設けられる。燃料
電池の酸化極に生成される水を貯蔵するタンクから気化
器cに送られる水は、加圧により高温となっている空気
を熱源として気化され、この水蒸気が更に気化器aに送
入され、改質器からの排ガスおよび改質燃料ガスを熱源
として十分に気化される。気化器aからの水蒸気が加湿
器bおよびdに導入されることにより、燃料電池に供給
される改質燃料ガスおよび空気が共に十分量の水蒸気を
含むものとされ、固体高分子膜が加湿される。
Further, in order to exhibit ionic conductivity suitable for use as an electrolyte, it is necessary that the solid polymer membrane is not dried. A method described in JP-A-3-269955 is known as a method for humidifying a solid polymer film. According to this conventional technique, the carburetor a and the humidifier b are provided in the fuel supply system that supplies the reformed fuel gas that has passed through the reformer to the fuel electrode of the fuel cell, and the air pressurized by the compressor is used as the fuel. A vaporizer c and a humidifier d are provided in the air supply system that supplies the oxidizing electrode of the battery. The water sent to the vaporizer c from the tank that stores the water generated in the oxidizing electrode of the fuel cell is vaporized by using the high temperature air as a heat source by pressurization, and this water vapor is further fed to the vaporizer a. , Is sufficiently vaporized using the exhaust gas from the reformer and the reformed fuel gas as heat sources. By introducing the steam from the vaporizer a into the humidifiers b and d, both the reformed fuel gas and the air supplied to the fuel cell are made to contain a sufficient amount of steam, and the solid polymer membrane is humidified. It

【0005】この従来技術の利点は、固体高分子膜の加
湿と同時に、供給系の当初においてはかなりの高温とな
っている改質燃料ガスおよび空気を燃料電池の運転温度
(80〜100℃程度)に近い温度に下げた状態で燃料
電池に供給することが可能とされる点にある。すなわ
ち、改質器を経て得られる高温の改質燃料ガスは気化器
aにおける熱交換によって、またコンプレッサによる圧
縮を受けて高温となる空気は気化器cにおける熱交換に
よって、それぞれ100℃+α程度の温度に下げられる
ため、作動される燃料電池における固体高分子膜のイオ
ン導電性が良好に発揮され、発電効率が向上される。
The advantage of this prior art is that, at the same time as humidifying the solid polymer membrane, the reformed fuel gas and air, which are at a considerably high temperature at the beginning of the supply system, are supplied to the operating temperature of the fuel cell (about 80 to 100 ° C.). It is possible to supply to the fuel cell in a state of being lowered to a temperature close to). That is, the high-temperature reformed fuel gas obtained through the reformer has a temperature of about 100 ° C. + α due to heat exchange in the vaporizer a, and the air that has been compressed by the compressor and has a high temperature is heat exchange in the vaporizer c. Since the temperature is lowered, the ionic conductivity of the solid polymer membrane in the operated fuel cell is exhibited well, and the power generation efficiency is improved.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】燃料電池および改質器
を有する発電装置においては大量の水が必要とされるた
め、システム全体としての水収支を考慮しなければなら
ない。上述のように、燃料電池の酸化極からの排ガスを
凝縮器により凝縮し、凝縮水を気水分離器およびポンプ
を用いて燃料電池や改質器に供給することが可能である
が、この場合には装置の複雑化および重量化を招いてし
まう。
Since a large amount of water is required in a power generator having a fuel cell and a reformer, it is necessary to consider the water balance of the system as a whole. As described above, it is possible to condense the exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell with the condenser and supply the condensed water to the fuel cell and the reformer using the steam separator and the pump. However, this leads to a complicated and heavy device.

【0007】また、特開平3−269955号公報に記
載の上記従来技術は、大きな利点を有するものではある
が、反面、改質燃料ガス供給系および空気供給系の双方
に気化器と加湿器とを設け、これら気化器および加湿器
更には関連する機器との間に複雑な循環系を設ける必要
があり、同様に燃料電池システム全体の複雑化を招くと
いう問題がある。
Although the above-mentioned prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-269955 has a great advantage, on the other hand, a vaporizer and a humidifier are provided in both the reformed fuel gas supply system and the air supply system. It is necessary to provide a complicated circulation system between the carburetor, the humidifier, and related devices, which also causes a problem that the entire fuel cell system is complicated.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池によ
る発電装置における燃料電池や改質器への水供給をポン
プを用いることなく行い、装置全体の構成の単純化およ
び軽量化を図ることを目的とする。
According to the present invention, water is supplied to a fuel cell or a reformer in a fuel cell power generation apparatus without using a pump, and the configuration of the entire apparatus is simplified and the weight is reduced. With the goal.

【0009】また、本発明の別の目的は、簡単な構成で
燃料電池の固体高分子電解質膜を加湿することができ、
同時に燃料電池の燃料極に供給される改質燃料ガスを好
適な温度に下げることができる、新規な構成の固体高分
子型燃料電池発電装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to humidify a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell with a simple structure,
At the same time, it is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell power generator having a novel structure, which can lower the temperature of the reformed fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell to a suitable temperature.

【0010】すなわち本発明は、電解質の両側に燃料極
と酸化極とが配されてなる燃料電池と、液体燃料を原料
として改質反応することにより前記燃料電池の燃料極に
供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質器とを
有する燃料電池発電装置において、燃料電池の酸化極か
らの排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝
縮器より回収される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制
的に排出する制御手段とを設けたことを特徴とする。
That is, according to the present invention, a fuel cell in which a fuel electrode and an oxidizing electrode are arranged on both sides of an electrolyte, and a hydrogen rich gas to be supplied to the fuel electrode of the fuel cell by a reforming reaction using a liquid fuel as a raw material In a fuel cell power generator having a reformer that generates various reformed gases, a condenser that condenses water vapor contained in the exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell and condensed water that is collected from the condenser are compressed to room pressure. And a control means for forcibly discharging in accordance with the rise of the temperature.

【0011】制御手段は、凝縮器より回収される凝縮水
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブが前記フロートにより閉じられたとき
に貯水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に
排出する排水バルブとを有するものとして構成すること
が好適である。
The control means includes a water storage chamber for storing the condensed water recovered from the condenser, a float that moves up and down according to the water surface level in the water storage chamber, and a float when the water surface level in the water storage chamber exceeds a certain level. It is preferable to have an exhaust valve that is closed by means of a water discharge valve and a drain valve that forcibly discharges water by increasing the gas internal pressure of the water storage chamber when the exhaust valve is closed by the float.

【0012】本発明はまた、固体高分子電解質膜の両側
に燃料極と酸化極とが接合されてなる燃料電池と、液体
燃料を原料として改質反応することにより燃料電池の燃
料極に供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質
器とを有する固体固体高分子型燃料電池発電装置におい
て、改質器から燃料電池の燃料極に至る改質ガス供給経
路にバブリング室を介在せしめ、改質器からの改質ガス
をバブリング室において気泡状態で水中に通過させる間
に改質ガスと水との間で熱交換を行い、改質ガスを冷却
すると共に水を熱して水蒸気を生成し、冷却された改質
ガスと水蒸気との混合気を燃料電池の燃料極に供給する
よう構成され、かつ、燃料電池の酸化極からの排出ガス
に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器より回収
される凝縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する
制御手段とを設けたことを特徴とする。
The present invention also provides a fuel cell in which a fuel electrode and an oxidation electrode are joined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a reforming reaction using a liquid fuel as a raw material to supply it to the fuel electrode of the fuel cell. In a solid polymer electrolyte fuel cell power generation device having a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas that should be, a bubbling chamber is interposed in the reformed gas supply path from the reformer to the fuel electrode of the fuel cell. While passing the reformed gas from the reformer in the bubble state into the water in the bubbling chamber, heat is exchanged between the reformed gas and water to cool the reformed gas and heat the water to generate steam. A condenser configured to supply a cooled mixture of reformed gas and steam to a fuel electrode of a fuel cell and condensing steam contained in exhaust gas from an oxidizing electrode of the fuel cell; Condensed water recovered from the chamber Characterized in that a control means for forcibly discharged in response to an increase in pressure.

【0013】制御手段から排出される水は、バブリング
室に供給することができる。
The water discharged from the control means can be supplied to the bubbling chamber.

【0014】制御手段は、凝縮器より回収される凝縮水
を貯水する貯水室と、貯水室内の水面レベルに応じて昇
降するフロートと、貯水室内の水面レベルが一定レベル
以上となったときにフロートにより閉じられる排気バル
ブと、排気バルブがフロートにより閉じられたときに貯
水室のガス内圧が上昇することにより水を強制的に排出
する排水バルブとを有してなるものとして構成すること
が好適である。
The control means includes a water storage chamber for storing condensed water recovered from the condenser, a float that moves up and down according to the water surface level in the water storage chamber, and a float when the water surface level in the water storage chamber exceeds a certain level. It is preferable that the exhaust valve is configured to include an exhaust valve that is closed by a water discharge valve and a drain valve that forcibly discharges water by increasing the gas internal pressure of the water storage chamber when the exhaust valve is closed by the float. is there.

【0015】この場合、排気バルブを経て排出されるガ
スを改質器に供給すると共に、排水バルブを経て排出さ
れる水をバブリング室に供給することができる。
In this case, the gas discharged through the exhaust valve can be supplied to the reformer, and the water discharged through the drain valve can be supplied to the bubbling chamber.

【0016】バブリング室における熱交換を更に効率化
するために、該室内の水を加熱する加熱手段を設けるこ
とができる。この加熱手段は、改質器における改質反応
に用いられる燃焼部からの燃焼排ガスおよび生成水蒸気
を熱源とすることができる。好ましくは、バブリング室
に隣接して隔壁されてなる第2のバブリング室を設け、
燃焼部からの燃焼排ガスが該第2のバブリング室におい
て気泡状態で水中に通過することにより熱せられる水を
介して前記バブリング室内の水を加熱する。また、前記
燃焼部からの生成水蒸気が前記第2のバブリング室を通
過することにより液化し、熱回収される水を介して前記
バブリング室内の水を加熱する。
In order to further improve the efficiency of heat exchange in the bubbling chamber, heating means for heating water in the bubbling chamber can be provided. This heating means can use the combustion exhaust gas and the generated steam from the combustion section used for the reforming reaction in the reformer as heat sources. Preferably, a second bubbling chamber that is partitioned adjacent to the bubbling chamber is provided,
The water in the bubbling chamber is heated via the water that is heated by the combustion exhaust gas from the combustion section passing through the water in the second bubbling chamber in a bubble state. Further, the water vapor generated from the combustion section is liquefied by passing through the second bubbling chamber and heats the water in the bubbling chamber through the water that is heat-recovered.

【0017】燃料電池の燃料極から排出される未反応改
質ガスと酸化極から排出される空気とを燃焼部に供給し
て燃焼することにより、加熱手段の熱源として用いる燃
焼排ガスを生成することができる。
By supplying unreacted reformed gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell and air discharged from the oxidizing electrode to the combusting section and combusting, combustion exhaust gas used as a heat source of the heating means is generated. You can

【0018】更に、バブリング室内の水量を制御するた
めの水量調製手段を設けることができる。
Further, a water amount adjusting means for controlling the amount of water in the bubbling chamber can be provided.

【0019】[0019]

【作用】燃料電池の酸化極からの排出ガスが凝縮器に送
入され、該排出ガスに含まれる水蒸気から凝縮水が回収
される。凝縮水は次いで制御手段に供給され、室内圧の
上昇に応じて強制的に排出され、燃料電池や改質器その
他必要な箇所に給水される。
The exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell is fed into the condenser, and the condensed water is recovered from the steam contained in the exhaust gas. The condensed water is then supplied to the control means, is forcibly discharged according to the rise in the room pressure, and is supplied to the fuel cell, the reformer and other necessary parts.

【0020】制御手段は、貯水室と、フロートと、排気
バルブと、排水バルブとを有してなり、貯水室内の凝縮
水レベルが一定レベル以上となったときに排気バルブが
フロートにより閉じられる。排気バルブが閉じられる
と、貯水室のガス内圧が上昇し、排水バルブを介して強
制的に排水がなされる。
The control means has a water storage chamber, a float, an exhaust valve, and a drain valve, and the exhaust valve is closed by the float when the condensed water level in the water storage chamber becomes a certain level or higher. When the exhaust valve is closed, the gas internal pressure in the water storage chamber rises and the water is forcibly drained through the drain valve.

【0021】改質器からの改質ガスは改質器出口におい
て約250℃の高温であり、この高温の改質ガスがバブ
リング室において気泡状態で水中を通過することによ
り、100℃近くの温度にまで冷却され、固体高分子型
燃料電池の運転温度に近い好適な温度を有するものとし
て燃料極に供給される。同時にバブリング室内の水が熱
せられて水蒸気が生成され、この水蒸気が改質ガスと共
に燃料極に供給されるため、固体高分子膜電解質が加湿
され、良好なイオン導電性を発揮する。
The reformed gas from the reformer has a high temperature of about 250 ° C. at the reformer outlet, and the high temperature reformed gas passes through the water in the bubble state in the bubbling chamber, so that the temperature near 100 ° C. And is supplied to the fuel electrode as having a suitable temperature close to the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell. At the same time, the water in the bubbling chamber is heated to generate steam, and this steam is supplied to the fuel electrode together with the reformed gas, so that the solid polymer membrane electrolyte is humidified and exhibits good ionic conductivity.

【0022】[0022]

【実施例】図1は本発明の一実施例による発電装置を示
す。この発電装置は、前述のナフィオンやPSSA−P
VA(ポリスチレンスルホン酸−ポリビニルアルコール
共重合体)、PSAA−EVOH(ポリスチレンスルホ
ン酸−エチレンビニルアルコール共重合体)等のイオン
交換性固体高分子樹脂膜を電解質とし、この電解質の両
側に燃料極と酸化極とが接合されてなる単電池が、セパ
レータを介して複数個積層された構造の固体高分子型燃
料電池10を有する。燃料電池10の燃料極には後述す
る改質器およびバブリング室18を経て水素ガスと水蒸
気とが供給され、酸化極には空気が供給される。
1 shows a power generator according to an embodiment of the present invention. This power generator is based on the above-mentioned Nafion or PSSA-P.
Ion-exchangeable solid polymer resin membranes such as VA (polystyrene sulfonic acid-polyvinyl alcohol copolymer) and PSAA-EVOH (polystyrene sulfonic acid-ethylene vinyl alcohol copolymer) are used as electrolytes, and fuel electrodes are provided on both sides of this electrolyte. A unit cell formed by joining an oxidizing electrode has a polymer electrolyte fuel cell 10 having a structure in which a plurality of unit cells are stacked with a separator interposed therebetween. Hydrogen gas and water vapor are supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 through a reformer and a bubbling chamber 18, which will be described later, and air is supplied to the oxidizing electrode.

【0023】改質器12には、燃料電池10の燃料極に
供給するための水素リッチな改質ガス(水素ガスを主体
として二酸化炭素ガスその他の夾雑成分を含むもの)を
生成する改質部14と、改質部14における改質反応の
ための熱源として燃焼排ガスを生成する燃焼部16とが
設けられる。改質部14にはメタノール等の液体燃料が
供給され、改質部14に必要に応じて設けられる気化器
によって気化された後、公知の触媒作用の下で水蒸気改
質される。
The reformer 12 includes a reforming section for producing a hydrogen-rich reformed gas (mainly hydrogen gas containing carbon dioxide gas and other contaminants) to be supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10. 14 and a combustion unit 16 that generates combustion exhaust gas as a heat source for the reforming reaction in the reforming unit 14. A liquid fuel such as methanol is supplied to the reforming unit 14, is vaporized by a vaporizer provided in the reforming unit 14 as required, and is then steam reformed under a known catalytic action.

【0024】改質部14における改質反応により得られ
る改質ガスは、改質器12から貯水バブリング室18に
送られる。改質器12の出口における改質ガスは約25
0℃程度の高温を有するが、バブリング室18の水中を
気泡として上昇しながら通過する間に熱交換されて10
0℃程度に冷却される。逆に、バブリング室18中の水
は高温の改質ガスによって熱せられて水蒸気を生成す
る。すなわちバブリング室18からは100℃程度の温
度の改質ガスと水蒸気とが送出され、燃料電池10の燃
料極に供給される。
The reformed gas obtained by the reforming reaction in the reforming section 14 is sent from the reformer 12 to the water storage bubbling chamber 18. The reformed gas at the outlet of the reformer 12 has about 25
Although it has a high temperature of about 0 ° C., heat is exchanged while passing through the water in the bubbling chamber 18 while rising as bubbles.
It is cooled to about 0 ° C. On the contrary, the water in the bubbling chamber 18 is heated by the hot reformed gas to generate steam. That is, the reformed gas and steam at a temperature of about 100 ° C. are delivered from the bubbling chamber 18 and supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10.

【0025】燃料電池10の燃料極からは未反応の改質
ガスと水蒸気とが排出され、酸化極からは生成される水
蒸気と共に未反応の空気が排出される。燃料極から排出
される改質ガスと水蒸気は水タンクを有するトラップ2
2に送られ、ここで水蒸気が離脱された後、改質器12
の燃焼部16に供給される。トラップ22内の水は、改
質器12の改質部14に供給されて改質反応に必要な水
蒸気を生成すると共に、後述する第2のバブリング室2
0への補水に用いられる。一方、酸化極からの排ガスは
凝縮器24により排ガス中の水蒸気から凝縮水が回収さ
れた後、制御手段25において水と高温の空気とに分離
され、水は給水ライン26を介してバブリング室18に
供給され、空気は給気ライン27を介して改質器12の
燃焼部16に送入されて燃焼燃料として消費される。
Unreacted reformed gas and steam are discharged from the fuel electrode of the fuel cell 10, and unreacted air is discharged from the oxidizing electrode together with the generated steam. The reformed gas and steam discharged from the fuel electrode are traps 2 having a water tank.
2 to the reformer 12 after the steam is separated therefrom.
Is supplied to the combustion section 16. The water in the trap 22 is supplied to the reforming section 14 of the reformer 12 to generate the steam necessary for the reforming reaction, and the second bubbling chamber 2 to be described later.
Used to replenish water to zero. On the other hand, the exhaust gas from the oxidizing electrode is condensed into water and high temperature air by the control means 25 after the condensed water is recovered from the steam in the exhaust gas by the condenser 24, and the water is bubbling chamber 18 through the water supply line 26. Is supplied to the combustion section 16 of the reformer 12 through the air supply line 27 and is consumed as combustion fuel.

【0026】制御手段25は図2に示される構成を有
し、凝縮器24からの凝縮水Wを収容する貯水室28を
有する。貯水室28内には、凝縮水Wの水面レベルに応
じて昇降するフロート29が設けられると共に、給水ラ
イン26に通ずる排水バルブ30が下方に、給気ライン
27に通ずる排気バルブ31が上方にそれぞれ設けられ
る。
The control means 25 has the structure shown in FIG. 2, and has a water storage chamber 28 for storing the condensed water W from the condenser 24. A float 29 that moves up and down according to the water level of the condensed water W is provided in the water storage chamber 28, a drain valve 30 that communicates with the water supply line 26 is located below, and an exhaust valve 31 that communicates with the air supply line 27 is located above. It is provided.

【0027】貯水室28内の所定水面レベルを越えて大
量の凝縮水Wが貯水されると、フロート29が排気バル
ブ31を閉じる。排気バルブ31が閉じられると、排気
ライン27への排気が行われなくなるので、凝縮器24
から送られるガスによって貯水室28の内圧が上昇し、
これにより排水バルブ30を開き、排水ライン26を通
じての排水が行われる。排水が行われて貯水室28内の
水面レベルが所定レベル以下となると、再び排気バルブ
31が開き、排気ライン27への排気が行われる。これ
によって内圧が低下し、排水バルブ30は再び閉じられ
る。
When a large amount of condensed water W is stored in the water storage chamber 28 beyond a predetermined water level, the float 29 closes the exhaust valve 31. When the exhaust valve 31 is closed, exhaust to the exhaust line 27 is stopped, so the condenser 24
The internal pressure of the water storage chamber 28 rises due to the gas sent from
As a result, the drain valve 30 is opened, and drainage is performed through the drain line 26. When the water level in the water storage chamber 28 drops below a predetermined level due to drainage, the exhaust valve 31 is opened again and exhaust to the exhaust line 27 is performed. This reduces the internal pressure and closes the drain valve 30 again.

【0028】なお、図示実施例では、排水ライン26を
通じてバブリング室18に給水するように構成されてい
るが、これに代えてあるいはこれと共に、他の水を必要
とする箇所、たとえば改質器12の改質部14に供給す
るように構成しても良い。
In the illustrated embodiment, water is supplied to the bubbling chamber 18 through the drainage line 26, but instead of or together with this, another place requiring water, for example, the reformer 12 is used. It may be configured to supply to the reforming unit 14 of.

【0029】以上のように、改質器12の燃焼部16に
は、燃料電池10の燃料極からの排ガス中の未反応改質
ガスがトラップ22を介して供給されると共に、酸化極
から排出される空気が凝縮器24および制御手段25を
介して供給される。これら未反応改質ガスと空気との混
合気を燃焼部16にて燃焼することによって得られる燃
焼排ガスは、公知のように改質部14に与えられて改質
反応のための熱源として利用されるが、その一部はバブ
リング室18内の水を100℃近くにまで昇温させるた
めの熱源としても用いられる。
As described above, the unreacted reformed gas in the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell 10 is supplied to the combustion section 16 of the reformer 12 through the trap 22 and discharged from the oxidizing electrode. The air to be supplied is supplied via the condenser 24 and the control means 25. The combustion exhaust gas obtained by burning the mixture of the unreacted reformed gas and air in the combustion section 16 is given to the reforming section 14 and used as a heat source for the reforming reaction as is well known. However, part of it is also used as a heat source for raising the temperature of the water in the bubbling chamber 18 to near 100 ° C.

【0030】図示実施例では、バブリング室18内の水
をかかる温度に効率的に熱するために第2のバブリング
室20がバブリング室18に接して設けられ、燃焼部1
6からの燃焼排ガスの一部がこの第2のバブリング室2
0に供給される。前述のバブリング室18内におけるバ
ブリング作用と同様に、燃焼排ガスが第2のバブリング
室20において水中を気泡状態で上昇する間に水温が効
率的に上昇し、その水温がバブリング室18内の水に伝
熱される。第2のバブリング室20内で水中を通過した
燃焼排ガスは外部に排気される。第2のバブリング室2
0への給水には主としてトラップ22内の水が用いられ
るが、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気も該第2のバブリ
ング室20の水中を通過する間に液化する。第2のバブ
リング室20からのオーバーフロー水は、トラップ22
からの水と共に、改質部14に送られる。
In the illustrated embodiment, a second bubbling chamber 20 is provided in contact with the bubbling chamber 18 in order to efficiently heat the water in the bubbling chamber 18 to such a temperature, and the combustion section 1
Part of the combustion exhaust gas from 6 is in this second bubbling chamber 2
Supplied to zero. Similar to the bubbling action in the bubbling chamber 18, the water temperature efficiently rises while the combustion exhaust gas rises in water in the second bubbling chamber 20 in a bubble state, and the water temperature changes to the water in the bubbling chamber 18. Heat is transferred. The combustion exhaust gas passing through the water in the second bubbling chamber 20 is exhausted to the outside. Second bubbling chamber 2
The water in the trap 22 is mainly used for supplying water to 0, but the water vapor contained in the combustion exhaust gas is also liquefied while passing through the water in the second bubbling chamber 20. The overflow water from the second bubbling chamber 20 is trapped in the trap 22.
It is sent to the reforming section 14 together with the water from.

【0031】以上に説明したように、燃料電池10の燃
料極と改質器12の改質部14との間にバブリング室1
8を設け、改質部14から得られる改質ガスをこのバブ
リング室18の水中を気泡として通過させることによ
り、該高温の改質ガスとバブリング室内の水との間で熱
交換が効率的に行われ、バブリング室内の水が加熱され
て得られる水蒸気と100℃近くの適温に下げられた改
質ガスとが燃料極に供給される。水蒸気は燃料極を介し
て燃料電池の電解質を加湿する。
As described above, the bubbling chamber 1 is provided between the fuel electrode of the fuel cell 10 and the reforming section 14 of the reformer 12.
8 is provided and the reformed gas obtained from the reforming section 14 is allowed to pass through the water in the bubbling chamber 18 as bubbles, so that the heat exchange between the high temperature reformed gas and the water in the bubbling chamber is efficiently performed. Then, the water vapor obtained by heating the water in the bubbling chamber and the reformed gas lowered to an appropriate temperature near 100 ° C. are supplied to the fuel electrode. The water vapor humidifies the electrolyte of the fuel cell through the fuel electrode.

【0032】ガス気泡を水中に通過されることにより効
率的な熱交換が行われることを下記試算によって実証す
る。
Efficient heat exchange is demonstrated by passing gas bubbles into water by the following calculation.

【0033】水中のガス気泡は密度差による浮力を受け
ることになり、ガス(3H+CO)気泡の浮上速度
をストークスの抵抗式から求めると下記数式1の通りで
ある。
The gas bubbles in the water are subject to buoyancy due to the density difference, and the floating speed of the gas (3H 2 + CO 2 ) bubbles can be calculated from the Stokes resistance equation as shown in the following formula 1.

【数1】 ここで、水温300K、水圧0.1MPaの場合(条件
1)、水温380K、水圧0.1MPa(条件2)およ
び水温380K、水圧0.2MPa(条件3)の各条件
を想定すると、条件1のときはρw(kg/m)=1
000、ρg(kg/m)=0.505、ηw(Pa
・s)=854であり、条件2のときはρw=100
0、ρg=0.398、ηw=263であり、条件3の
ときはρw=1000、ρg=0.796、ηw=26
3であるから、気泡径を2mmとしてこれらの数値を数
式1に当てはめると、 条件1のときの浮上速度V1=2.5m/s 条件2のときの浮上速度V2=8.3m/s 条件3のときの浮上速度V3=8.3m/s となる。この結果から、ガス気泡速度は水温が高くなる
と大きくなるが、圧力変化には影響されないことが理解
される。次に、気泡径2mmのガス球1個当たりの熱量
は下記数式2より求められるから、450K、0.1M
Paの条件下における混合ガス(3H2+CO2)の物
性ρg(kg/m)=0.3351、Cp(KJ/k
g・K)=11.12を数式2に当てはめると、 ガスの持ち込み熱量Qg=1.87×10−5KJ となる。
[Equation 1] Here, assuming that the water temperature is 300 K and the water pressure is 0.1 MPa (condition 1), the water temperature is 380 K, the water pressure is 0.1 MPa (condition 2) and the water temperature is 380 K and the water pressure is 0.2 MPa (condition 3). Then ρw (kg / m 3 ) = 1
000, ρg (kg / m 3 ) = 0.505, ηw (Pa
・ S) = 854, and in condition 2 ρw = 100
0, ρg = 0.398, ηw = 263, and under condition 3, ρw = 1000, ρg = 0.696, ηw = 26.
Therefore, when these numerical values are applied to the equation 1 with the bubble diameter of 2 mm, the floating speed V1 = 2.5 m / s under the condition 1 and the floating speed V2 = 8.3 m / s under the condition 2 At that time, the levitation speed V3 = 8.3 m / s. From this result, it is understood that the gas bubble velocity increases as the water temperature increases, but is not affected by the pressure change. Next, since the amount of heat per gas sphere having a bubble diameter of 2 mm is calculated by the following mathematical formula 2, 450K, 0.1M
Physical properties ρg (kg / m 3 ) = 0.3351 of mixed gas (3H2 + CO2) under Pa condition, Cp (KJ / k)
When g · K) = 11.12 is applied to Equation 2, the gas carry-in heat quantity Qg = 1.87 × 10 −5 KJ.

【数2】 また、該ガス球1個当たりの放熱量は下記数式3より求
められる。
[Equation 2] Further, the heat radiation amount per one gas sphere is obtained by the following mathematical formula 3.

【数3】 ここで、0.1MPaの圧力下で温度450Kの該ガス
球が373Kの水中を通過するときの熱伝達率をWhi
takerの実験式によって求めると、 熱伝達率h=90700w/m・K となるから、 ガス球の放熱量Q’g=85W と求められる。 よって、式Qg=Q’g・tより、 ガス球の放熱時間t=2.2×10−4sec となり、ガス球は水中にて一瞬のうちに冷却されること
が理解される。また、放熱に要する必要液面高さh=V
・t=1.83×10−3mであり、きわめて微量の水
で十分であることが理解される。このようにバブリング
室18には僅かな量の水が存在すれば良いが、燃料電池
10の燃料極に供給する改質ガス温度および水蒸気量を
好適な範囲に制御するためには、ある一定範囲の水量が
常時保持されることが望ましい。このために、図示実施
例ではバブリング室18にフロート19を設けている
が、システム全体の水収支を考慮すると、酸化極からの
排出ガス中に含まれる反応生成水を回収することが必要
になる。そこで、バブリング室18に凝縮器24を介し
て回収水を導き、バブリング室18、20間の液面差を
フロート19で調整している。フロート19の浮力につ
いては、バブリング室18が第2バブリング室20より
も圧力大となることを考慮して、導通パイプ径すなわち
フロート体積を決定する。なお、第2のバブリング室2
0側にフロートを設置することも考えられるが、第2バ
ブリング室20側には大気が存在し、この大気がバブリ
ング室18に混入することにより水素の燃焼範囲に入る
可能性があるため、フロート19はバブリング室18の
側に設置することが望ましい。
[Equation 3] Here, the heat transfer coefficient when the gas sphere at a temperature of 450 K passes through water at 373 K under a pressure of 0.1 MPa is represented by Whi
The heat transfer coefficient h = 90700 w / m 2 · K is obtained by the Taker's empirical formula. Therefore, from the equation Qg = Q′g · t, it is understood that the heat dissipation time t of the gas sphere is t = 2.2 × 10 −4 sec, and the gas sphere is instantly cooled in water. Also, the required liquid level height h = V required for heat dissipation
T = 1.83 × 10 −3 m, and it is understood that a very small amount of water is sufficient. As described above, a small amount of water may be present in the bubbling chamber 18, but in order to control the temperature of the reformed gas and the amount of water vapor supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 within a suitable range, a certain fixed range is required. It is desirable that the amount of water is always maintained. For this reason, although the float 19 is provided in the bubbling chamber 18 in the illustrated embodiment, in consideration of the water balance of the entire system, it is necessary to collect the reaction product water contained in the exhaust gas from the oxidizing electrode. . Therefore, the recovered water is guided to the bubbling chamber 18 via the condenser 24, and the liquid level difference between the bubbling chambers 18 and 20 is adjusted by the float 19. Regarding the buoyancy of the float 19, the diameter of the conducting pipe, that is, the float volume is determined in consideration of the fact that the pressure in the bubbling chamber 18 is higher than that in the second bubbling chamber 20. The second bubbling chamber 2
Although it is conceivable to install a float on the 0 side, since the atmosphere exists on the second bubbling chamber 20 side and this atmosphere may enter the bubbling chamber 18, it may enter the combustion range of hydrogen. 19 is preferably installed on the side of the bubbling chamber 18.

【発明の効果】本発明によれば、制御手段を設けること
で従来の気水分離器とポンプとを兼ね備えた作用を果た
すことができ、装置全体の構成を簡略化し軽量化するこ
とができる。また、バブリング室を設けることにより改
質ガスを冷却して適正温度とすると同時に水蒸気が得ら
れ、燃料電池の固体高分子型電解質膜を加湿することが
できる。
According to the present invention, by providing the control means, it is possible to perform the action of combining the conventional steam-water separator and the pump, and it is possible to simplify and reduce the weight of the entire apparatus. Further, by providing the bubbling chamber, the reformed gas is cooled to an appropriate temperature and at the same time water vapor is obtained, so that the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell can be humidified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例による固体高分子型燃料電池
発電装置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1における制御手段の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of control means in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 固体高分子型燃料電池 12 改質器 14 改質部 16 燃焼部 18 バブリング室 20 第2のバブリング室 22 トラップ 24 凝縮器 25 制御手段 28 貯水室 29 フロート 30 排水バルブ 31 排気バルブ 10 Solid Polymer Fuel Cell 12 Reformer 14 Reforming Section 16 Combustion Section 18 Bubbling Chamber 20 Second Bubbling Chamber 22 Trap 24 Condenser 25 Control Means 28 Water Storage Chamber 29 Float 30 Drain Valve 31 Exhaust Valve

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質の両側に燃料極と酸化極とが配
されてなる燃料電池を有する燃料電池発電装置におい
て、前記燃料電池の酸化極からの排出ガスに含まれる水
蒸気を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器より回収される凝
縮水を室内圧の上昇に応じて強制的に排出する制御手段
とを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
1. A fuel cell power generator having a fuel cell in which a fuel electrode and an oxidizing electrode are arranged on both sides of an electrolyte, and a condenser for condensing water vapor contained in exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell. And a control means for forcibly discharging the condensed water collected from the condenser in accordance with an increase in the room pressure.
【請求項2】 前記制御手段が、前記凝縮器より回収
される凝縮水を貯水する貯水室と、前記貯水室内の水面
レベルに応じて昇降するフロートと、前記貯水室内の水
面レベルが一定レベル以上となったときに前記フロート
により閉じられる排気バルブと、前記排気バルブが前記
フロートにより閉じられたときに前記貯水室のガス内圧
が上昇することにより水を強制的に排出する排水バルブ
とを有してなることを特徴とする請求項1の燃料電池発
電装置。
2. A water storage chamber for storing condensed water recovered from the condenser, a float that moves up and down according to a water surface level in the water storage chamber, and a water surface level in the water storage chamber above a certain level. When the exhaust valve is closed by the float, an exhaust valve, and when the exhaust valve is closed by the float, a drain valve forcibly discharging water by increasing the gas internal pressure of the water storage chamber is included. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein
【請求項3】 固体高分子電解質膜の両側に燃料極と
酸化極とが接合されてなる燃料電池と、液体燃料を原料
として改質反応することにより前記燃料電池の燃料極に
供給すべき水素リッチな改質ガスを生成する改質器とを
有する固体固体高分子型燃料電池発電装置において、前
記改質器から前記燃料電池の燃料極に至る改質ガス供給
経路にバブリング室を介在せしめ、前記改質器からの改
質ガスを前記バブリング室において気泡状態で水中に通
過させる間に改質ガスと水との間で熱交換を行い、改質
ガスを冷却すると共に水を熱して水蒸気を生成し、冷却
された改質ガスと水蒸気との混合気を前記燃料電池の燃
料極に供給するよう構成され、かつ、前記燃料電池の酸
化極からの排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器
と、前記凝縮器より回収される凝縮水を室内圧の上昇に
応じて強制的に排出する制御手段とを設けたことを特徴
とする固体高分子型燃料電池発電装置。
3. A fuel cell in which a fuel electrode and an oxidation electrode are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and hydrogen to be supplied to the fuel electrode of the fuel cell by a reforming reaction using a liquid fuel as a raw material. In a solid polymer electrolyte fuel cell power generator having a reformer that produces a rich reformed gas, a bubbling chamber is interposed in a reformed gas supply path from the reformer to a fuel electrode of the fuel cell, While passing the reformed gas from the reformer into water in the bubbling chamber in a bubble state, heat is exchanged between the reformed gas and water to cool the reformed gas and heat the water to generate steam. A condenser configured to supply the produced and cooled mixture of reformed gas and steam to the fuel electrode of the fuel cell, and to condense steam contained in the exhaust gas from the oxidizing electrode of the fuel cell. And the condenser A solid polymer fuel cell power generator comprising: a control means for forcibly discharging the collected condensed water according to an increase in the room pressure.
【請求項4】 前記制御手段から排出される水が前記
バブリング室に供給されることを特徴とする請求項3の
固体高分子型燃料電池発電装置。
4. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 3, wherein the water discharged from the control means is supplied to the bubbling chamber.
【請求項5】 前記制御手段が、前記凝縮器より回収
される凝縮水を貯水する貯水室と、前記貯水室内の水面
レベルに応じて昇降するフロートと、前記貯水室内の水
面レベルが一定レベル以上となったときに前記フロート
により閉じられる排気バルブと、前記排気バルブが前記
フロートにより閉じられたときに前記貯水室のガス内圧
が上昇することにより水を強制的に排出する排水バルブ
とを有してなることを特徴とする請求項3の固体高分子
型燃料電池発電装置。
5. The water storage chamber for storing condensed water recovered from the condenser, the float that moves up and down according to the water surface level in the water storage chamber, and the water surface level in the water storage chamber above a certain level. When the exhaust valve is closed by the float, an exhaust valve, and when the exhaust valve is closed by the float, a drain valve forcibly discharging water by increasing the gas internal pressure of the water storage chamber is included. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 3, wherein
【請求項6】 前記排気バルブを経て排出されるガス
が前記改質器に供給されると共に、前記排水バルブを経
て排出される水が前記バブリング室に供給されることを
特徴とする請求項5の固体高分子型燃料電池発電装置。
6. The gas discharged through the exhaust valve is supplied to the reformer, and the water discharged through the drain valve is supplied to the bubbling chamber. Polymer electrolyte fuel cell power generator.
【請求項7】 前記バブリング室内の水を加熱する加
熱手段が設けられることを特徴とする請求項3ないし6
のいずれかの固体高分子型燃料電池発電装置。
7. A heating means for heating water in the bubbling chamber is provided.
The polymer electrolyte fuel cell power generator of any one of.
【請求項8】 前記加熱手段が、前記改質器における
改質反応に用いられる燃焼部からの燃焼排ガスおよび生
成水蒸気を熱源とすることを特徴とする請求項7の固体
高分子型燃料電池発電装置。
8. The solid polymer fuel cell power generation according to claim 7, wherein the heating means uses combustion exhaust gas and steam generated from a combustion section used for a reforming reaction in the reformer as heat sources. apparatus.
【請求項9】 前記加熱手段が、前記バブリング室に
隣接して隔壁されてなる第2のバブリング室よりなり、
前記燃焼部からの燃焼排ガスが前記第2のバブリング室
において気泡状態で水中に通過することにより熱せられ
る水を介して前記バブリング室内の水を加熱することを
特徴とする請求項8の固体高分子型燃料電池発電装置。
9. The heating means comprises a second bubbling chamber which is partitioned adjacent to the bubbling chamber,
9. The solid polymer according to claim 8, wherein the combustion exhaust gas from the combustion unit heats the water in the bubbling chamber through the water that is heated by passing through the water in the second bubbling chamber in the form of bubbles. Type fuel cell power generator.
【請求項10】 前記加熱手段が、前記燃焼部からの生
成水蒸気が前記第2のバブリング室を通過することによ
り液化し、熱回収される水を介して前記バブリング室内
の水を加熱することを特徴とする請求項9の固体高分子
型燃料電池発電装置。
10. The heating means heats the water in the bubbling chamber through the water which is liquefied by the steam generated from the combustion section passing through the second bubbling chamber and is heat-recovered. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 9.
【請求項11】 前記燃料電池の燃料極から排出される
未反応改質ガスと酸化極から排出される空気とが前記燃
焼部に供給され、前記燃焼部において燃焼されて燃焼排
ガスを生成することを特徴とする請求項10の固体高分
子型燃料電池発電装置。
11. An unreacted reformed gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell and air discharged from an oxidizing electrode are supplied to the combustion section and burned in the combustion section to generate combustion exhaust gas. 11. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 10.
【請求項12】 前記バブリング室内の水量を制御する
ための水量調製手段が設けられることを特徴とする請求
項11の固体高分子型燃料電池発電装置。
12. The polymer electrolyte fuel cell power generator according to claim 11, further comprising water amount adjusting means for controlling the amount of water in the bubbling chamber.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10312821A (en) * 1997-05-14 1998-11-24 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell system
JP2010287519A (en) * 2009-06-15 2010-12-24 Panasonic Corp Fuel cell system
KR101338840B1 (en) * 2011-01-19 2013-12-06 현대하이스코 주식회사 Improved fuel cell system including compact reformer for fuel cell

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