JP2017082795A - Pressure-feeding unit and fuel cell device equipped with pressure-feeding unit - Google Patents

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ホルツァー ドミニク
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide, for installation to equipment such as a fuel cell device, a compact gas fuel pressure-feeding device causing no leakage.SOLUTION: A pressure-feeding unit comprises a pressure-feeding device 12 formed as a radial turbo blower 16, and a drive device 14, and the pressure-feeding device is hermetically sealed against the drive device which is formed as a canned motor 18. With this, in a state of being used in a SOFC fuel cell device, the pressure-feeding unit is protected against a high-temperature gas such as, for instance, hot anode gas, and the durable period of the pressure-feeding unit 10 is greatly increased. Accordingly, the pressure-feeding unit can be arranged in terms of fluid technology in an anode exhaust gas recirculation circuit and/or in contact with the anode exhaust gas recirculation circuit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、少なくとも1つの圧送装置と駆動装置とを備え、圧送装置は、駆動装置に対して緊密に封止されている、圧送ユニットに関し、さらに本発明は、アノード排ガス再循環回路を備える燃料電池装置にも関する。   The present invention relates to a pumping unit comprising at least one pumping device and a drive device, the pumping device being tightly sealed with respect to the drive device, the invention further comprising a fuel comprising an anode exhaust gas recirculation circuit It also relates to battery devices.

背景技術
文献独国実用新案第202005017574号明細書は、圧送装置を開示している。この圧送装置は、圧送領域と駆動領域とを備えるポンプまたは送風機として構成されており、この場合、圧送領域は、駆動領域に対して緊密に封止されている。
The document German utility model 202005017574 discloses a pumping device. The pumping device is configured as a pump or a blower having a pumping region and a driving region. In this case, the pumping region is tightly sealed with respect to the driving region.

発明の開示
これに対して、少なくとも1つの圧送装置と駆動装置とを備え、圧送装置は、駆動装置に対して緊密に封止されている、本発明に係る圧送ユニットは、圧送装置がラジアルターボ送風機として構成されているという利点を有する。ラジアルターボ送風機により、圧送ユニットの効率が大幅に高まると同時に、コンパクトでより軽量の構造が実現される。
DISCLOSURE OF THE INVENTION On the other hand, the pressure feeding unit according to the present invention includes at least one pressure feeding device and a driving device, and the pressure feeding device is tightly sealed with respect to the driving device. It has the advantage of being configured as a blower. The radial turbo blower significantly increases the efficiency of the pumping unit and at the same time realizes a compact and lighter structure.

従属請求項に記載された特徴により、本発明の好適な改良態様が実現可能である。そこでは、駆動装置は、キャンドモータとして構成されており、これにより、効率的な駆動が保証される。   Due to the features described in the dependent claims, preferred refinements of the invention can be realized. There, the drive device is configured as a canned motor, which ensures efficient drive.

好適な1態様では、圧送装置と駆動装置とが1つのユニットとして構成されており、これにより、圧送装置を追加的によりコンパクトに構成することができ、ひいてはたとえば燃料電池装置などの設備への技術的に簡単な組付けも可能になる。   In a preferred embodiment, the pumping device and the driving device are configured as a single unit, whereby the pumping device can be configured to be more compact, and thus, for example, a technology for equipment such as a fuel cell device. Simple assembly is also possible.

特に好適には、圧送装置と駆動装置とが、電磁クラッチを介して作用結合されており、これにより、ほぼ摩擦のない駆動が可能になる。   Particularly preferably, the pressure-feed device and the drive device are operatively coupled via an electromagnetic clutch, which enables drive with almost no friction.

そこで好適には、圧送装置が少なくとも部分的に駆動装置により取り囲まれており、これにより、駆動装置が効率的に圧送装置に作用することができる。   Preferably, therefore, the pumping device is at least partially surrounded by the drive device, so that the drive device can act on the pumping device efficiently.

特に好適な態様では、圧送装置と駆動装置との間に壁部が形成されており、これにより、駆動装置に対する圧送装置の緊密な封止が可能になる。   In a particularly preferred embodiment, a wall is formed between the pumping device and the drive device, which allows a tight seal of the pumping device to the drive device.

特に好適には、壁部が、圧送装置および/または駆動装置に対する保持部として構成されており、これにより、特に効率的に圧送ユニットのコンパクトな構造が可能になる。   Particularly preferably, the wall is configured as a holding part for the pumping device and / or the drive device, which allows a particularly efficient compact structure of the pumping unit.

さらに本発明は、アノード排ガス再循環回路を備える燃料電池装置に関する。燃料電池装置は、少なくとも1つの圧送ユニットが、上記の記述により説明されたように、流体技術的にアノード排ガス再循環回路内にかつ/またはアノード排ガス再循環回路に接して配置されているという利点を有する。そうして、アノード排ガスの再循環のために少なくとも1つの本発明に係る圧送ユニットを使用することにより、通常よりもわずかなエネルギしか必要とせず、これにより、同様に燃料電池装置の全体効率が高められる。   The present invention further relates to a fuel cell device including an anode exhaust gas recirculation circuit. The fuel cell device has the advantage that at least one pumping unit is arranged fluidically in the anode exhaust gas recirculation circuit and / or in contact with the anode exhaust gas recirculation circuit, as explained by the above description. Have Thus, by using at least one pumping unit according to the present invention for the recirculation of the anode exhaust gas, less energy is required than usual, which likewise increases the overall efficiency of the fuel cell device. Enhanced.

本発明の実施の態様が、図面に概略的に示されていて、以下の記述において詳しく説明される。   Embodiments of the invention are schematically illustrated in the drawings and are described in detail in the following description.

本発明に係る圧送ユニットの概略図を示す。The schematic diagram of the pumping unit concerning the present invention is shown. 本発明に係る圧送ユニットを備える本発明に係る燃料電池装置の概略図を示す。1 is a schematic view of a fuel cell device according to the present invention including a pressure feeding unit according to the present invention.

実施の形態の説明
図1は、本発明に係る圧送ユニット10の概略図を示している。圧送ユニット10は、圧送装置12と駆動装置14とを備え、この場合、圧送装置12は、駆動装置14に対して緊密に封止されている。圧送ユニット10は、圧送装置12がラジアルターボ送風機16として構成されていることを特徴とする。これにより、流体の特に効果的な圧送が可能になる。
DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS FIG. 1 shows a schematic view of a pumping unit 10 according to the present invention. The pressure feeding unit 10 includes a pressure feeding device 12 and a driving device 14. In this case, the pressure feeding device 12 is tightly sealed with respect to the driving device 14. The pumping unit 10 is characterized in that the pumping device 12 is configured as a radial turbo blower 16. This enables a particularly effective pumping of the fluid.

ここでは、ラジアルターボ送風機16とは、極めて高い回転数で運転することができ、ひいては大量の流体を圧送することができるラジアル送風機と解される。   Here, the radial turbo blower 16 is understood as a radial blower that can be operated at an extremely high rotational speed and can pump a large amount of fluid.

ラジアル送風機とは、送風機の駆動軸線に対して平行または軸方向に流体を吸い込み、ラジアル羽根車の回転により90°変向して、半径方向に吹き出す送風機と解される。これにより、特に強い圧力上昇が可能になる。   A radial blower is understood as a blower that sucks fluid parallel or axially to the drive axis of the blower, turns 90 ° by the rotation of the radial impeller, and blows out in the radial direction. This allows a particularly strong pressure increase.

したがって、ラジアルターボ送風機16としての圧送装置12により、大量の流体の圧送だけではなく強い圧力上昇も可能になる。   Therefore, the pressure feeding device 12 as the radial turbo blower 16 can not only pump a large amount of fluid but also increase a strong pressure.

駆動装置14は、キャンドモータ18として構成されており、これにより、ラジアルターボ送風機16の技術的に効率的な駆動が行われる。図示の実施の態様では、キャンドモータ18は、静的に配置されている。択一的に、キャンドモータ18を可動に配置することも考えられる。   The drive device 14 is configured as a canned motor 18, whereby a technically efficient drive of the radial turbo blower 16 is performed. In the illustrated embodiment, the canned motor 18 is statically arranged. As an alternative, the canned motor 18 may be arranged movably.

圧送装置12またはラジアルターボ送風機16と、駆動装置14またはキャンドモータ18とは、1つのユニットとして構成されており、これにより、圧送ユニット10の特にコンパクトな構成が達成され、ひいてはたとえば燃料電池装置などの設備への簡単な組付けも可能になる。   The pumping device 12 or the radial turbo blower 16 and the driving device 14 or the canned motor 18 are configured as one unit, whereby a particularly compact configuration of the pumping unit 10 is achieved, and for example, a fuel cell device or the like. Easy assembly to other equipment is also possible.

圧送装置12またはラジアルターボ送風機16と、駆動装置14またはキャンドモータ18とは、電磁クラッチ19を介して作用結合されており、これにより、ラジアルターボ送風機16とキャンドモータ18とは、互いに間隔を置いて形成することができ、ひいてはほぼ摩擦のない駆動が行われる。   The pressure feeding device 12 or the radial turbo blower 16 and the drive device 14 or the canned motor 18 are operatively coupled via an electromagnetic clutch 19, whereby the radial turbo blower 16 and the canned motor 18 are spaced apart from each other. As a result, driving without friction is performed.

そこで、ラジアルターボ送風機16は、ロータ20を有し、キャンドモータ18は、ステータ22を有する。ロータ20は、スリーブ23により取り囲まれている。ロータ20だけではなくステータ22も、電気式に駆動制御することができるコイルである。ロータ20は、軸方向に延在する軸24に取り付けられている。同様に、ラジアルターボ送風機16のラジアル羽根車26が軸24に取り付けられており、これにより、ロータ20の回転運動がラジアル羽根車26の回転運動をも生じさせ、ラジアル羽根車26の回転運動により、流体を、軸方向に吸込通路28を介して吸い込み、90°変向させ、これに続いて半径方向に吹出通路30を介して吹き出すことができる。   Therefore, the radial turbo blower 16 has a rotor 20, and the canned motor 18 has a stator 22. The rotor 20 is surrounded by a sleeve 23. Not only the rotor 20 but also the stator 22 is a coil that can be electrically driven and controlled. The rotor 20 is attached to a shaft 24 extending in the axial direction. Similarly, the radial impeller 26 of the radial turbo blower 16 is attached to the shaft 24, so that the rotational motion of the rotor 20 also causes the rotational motion of the radial impeller 26, and the rotational motion of the radial impeller 26 The fluid can be sucked axially through the suction passage 28, turned 90 ° and subsequently blown out radially through the blow-off passage 30.

圧送装置12(図示の実施の態様ではラジアルターボ送風機16のロータ20)は、駆動装置14またはキャンドモータ18により、少なくとも部分的に取り囲まれている。そこで、キャンドモータ18のステータ22は、軸方向で内側に延在するロータ20に対向して配置されており、これにより、キャンドモータ18のステータ22は、電磁クラッチ19、つまり磁気的な相互作用により、直接にラジアルターボ送風機16のロータ20に作用して、トルクをローラ20に及ぼすことができる。これにより、ラジアルターボ送風機16の特に効率的な駆動が行われ、これにより、運転中に、高い回転数が達成される。   The pumping device 12 (in the illustrated embodiment, the rotor 20 of the radial turbo blower 16) is at least partially surrounded by the drive device 14 or the canned motor 18. Therefore, the stator 22 of the canned motor 18 is disposed so as to face the rotor 20 extending inward in the axial direction, so that the stator 22 of the canned motor 18 is connected to the electromagnetic clutch 19, that is, the magnetic interaction. Thus, the torque can be applied to the roller 20 by directly acting on the rotor 20 of the radial turbo blower 16. Thereby, particularly efficient driving of the radial turbo blower 16 is performed, whereby a high rotational speed is achieved during operation.

圧送装置12またはラジアルターボ送風機16と駆動装置14またはキャンドモータ18との間に少なくとも1つの壁部32が形成されており、これにより、ラジアルターボ送風機16とキャンドモータ18とは、互いに対して緊密に封止されている。そこで、キャンドモータ18は、SOFC燃料電池装置に使用した状態で、たとえば熱いアノードガスなどの高温のガスに対して防護され、これにより、圧送ユニット10の耐用期間が大幅に高められる。   At least one wall portion 32 is formed between the pumping device 12 or the radial turbo blower 16 and the driving device 14 or the canned motor 18, so that the radial turbo blower 16 and the canned motor 18 are in close contact with each other. Is sealed. Therefore, the canned motor 18 is protected against a high-temperature gas such as a hot anode gas while being used in the SOFC fuel cell apparatus, and the service life of the pressure-feeding unit 10 is thereby greatly increased.

さらに壁部32は、圧送装置12またはラジアルターボ送風機16と駆動装置14またはキャンドモータ18とに対する保持部33として構成されており、これにより、壁部32は、圧送ユニット10の小型化に役立つ。   Further, the wall portion 32 is configured as a holding portion 33 for the pressure feeding device 12 or the radial turbo blower 16 and the driving device 14 or the canned motor 18, whereby the wall portion 32 helps to reduce the size of the pressure feeding unit 10.

壁部32は、キャンドモータ18へ向けてラジアルターボ送風機16のロータ20を取り囲み、この場合、壁部32は、ラジアルターボ送風機16の軸24が軸受34により、図示の場合にはスラスト軸受により、回転運動可能に所定の保持部領域36に配置されるように構成されている。   The wall portion 32 surrounds the rotor 20 of the radial turbo blower 16 toward the canned motor 18. In this case, the wall portion 32 is formed by the shaft 24 of the radial turbo blower 16 by the bearing 34, in the illustrated case by the thrust bearing, It is configured to be arranged in a predetermined holding portion region 36 so as to be capable of rotating.

図示の態様では、壁部32は、ハウジング38の一部であり、ハウジング38により、ラジアルターボ送風機16は、ラジアル羽根車26へ向かう第2の保持部領域40においても、第2の軸受42を用いて回転運動可能に配置されている。   In the illustrated embodiment, the wall portion 32 is a part of the housing 38, and the housing 38 allows the radial turbo blower 16 to move the second bearing 42 in the second holding portion region 40 toward the radial impeller 26. It is arranged so that it can rotate.

さらに、キャンドモータ18に割り当てられた第2のハウジング44が形成されている。この場合、壁部32は、これが第2のハウジング44を保持部領域36で支持しひいてはキャンドモータ18に対する保持部33をも形成するように、構成されている。   Furthermore, a second housing 44 assigned to the canned motor 18 is formed. In this case, the wall portion 32 is configured such that it supports the second housing 44 with the holding portion region 36 and also forms a holding portion 33 for the canned motor 18.

さらに、キャンドモータ18に割り当てられた第2のハウジング44は、第3の保持部領域46において、ハウジング38に取り付けられており、これにより、キャンドモータ18は、追加的に支持される。   Further, the second housing 44 assigned to the canned motor 18 is attached to the housing 38 in the third holding portion region 46, whereby the canned motor 18 is additionally supported.

ラジアル羽根車26は、第3のハウジング48によりカバーされ、この場合、第3のハウジング48は、ハウジング38と相俟って、吸込通路28および吹出通路30を形成する。この場合、第3のハウジング48は、ハウジング38に取り付けられており、この場合、第3のハウジング48とハウジング38との間にシール56が配置されており、これにより、圧送装置12は、完全に、外側の周囲に対して封止されており、ひいてはガスが外側の周囲から吸い込まれることがない。   The radial impeller 26 is covered by a third housing 48, and in this case, the third housing 48, together with the housing 38, forms the suction passage 28 and the blowout passage 30. In this case, the third housing 48 is attached to the housing 38. In this case, a seal 56 is disposed between the third housing 48 and the housing 38, so that the pumping device 12 is fully In addition, the outer periphery is sealed so that no gas is sucked from the outer periphery.

固定リング50,52,54により、対応する箇所でラジアルターボ送風機16、ロータ20およびステータ22の取付部が追加的に固定される。   The fixing rings 50, 52, 54 additionally fix the radial turbo blower 16, the rotor 20, and the stator 22 at the corresponding locations.

図2には、本発明に係る圧送ユニット10を備える本発明に係る燃料電池装置110の概略図が示されている。燃料電池装置110は、燃料電池112を備える。燃料電池112は、電流だけではなく熱も生成するように設けられている。   FIG. 2 shows a schematic diagram of a fuel cell device 110 according to the present invention that includes the pumping unit 10 according to the present invention. The fuel cell device 110 includes a fuel cell 112. The fuel cell 112 is provided so as to generate not only current but also heat.

択一的に、燃料電池装置110が、複数の燃料電池112を有する燃料電池スタックを備えることも考えられる。   Alternatively, the fuel cell device 110 may include a fuel cell stack having a plurality of fuel cells 112.

供給管路114を介して、燃料電池装置110に、燃料、図示の態様では主にメタンガスを含有する天然ガスが供給される。圧送ユニットにより、燃料が圧送され、管路116を介して、改質器118、図示の態様では蒸気改質器に供給される。改質器118により、燃料または天然ガスがヘリウムに改質され、これに続いて、ヘリウムは、燃料電池112のアノード120に供給される。同時に、燃料電池112のカソード122に、酸素が、第2の供給管路115を介して供給される。   Fuel, natural gas containing mainly methane gas in the illustrated embodiment, is supplied to the fuel cell device 110 via the supply conduit 114. The fuel is pumped by the pumping unit, and is supplied to the reformer 118, in the illustrated embodiment, through the pipe 116 to the steam reformer. The reformer 118 reforms the fuel or natural gas into helium, which is subsequently supplied to the anode 120 of the fuel cell 112. At the same time, oxygen is supplied to the cathode 122 of the fuel cell 112 via the second supply line 115.

改質により得られたヘリウムは、供給された酸素とともに、燃料電池112において、電流および熱を生成しつつ電気化学反応される。その際に生じるアノード排ガスは、アノード側で、アノード排ガス管路124を介して導出される。カソード側で、電気化学反応時に生じるカソード排ガスは、カソード排ガス管路126を介して導出される。図示の態様では、カソード排ガスは、水蒸気である。   The helium obtained by the reforming is electrochemically reacted with the supplied oxygen in the fuel cell 112 while generating current and heat. The anode exhaust gas generated at that time is led out through the anode exhaust gas conduit 124 on the anode side. On the cathode side, the cathode exhaust gas generated during the electrochemical reaction is led out through the cathode exhaust gas conduit 126. In the illustrated embodiment, the cathode exhaust gas is water vapor.

アノード排ガス再循環管路128により、アノード排ガスの一部が分岐され、供給管路114に戻し案内される。燃料電池112における化学反応の間、供給されたヘリウムは、たいていは、完全には反応されないので、アノード排ガス再循環管路128により、反応されなかったヘリウムの少なくとも一部が燃料電池112に再び供給され、これにより、燃料電池装置110の効率が高められる。   A part of the anode exhaust gas is branched by the anode exhaust gas recirculation pipe 128 and guided back to the supply pipe 114. During the chemical reaction in the fuel cell 112, the supplied helium is usually not fully reacted, so that the anode exhaust gas recirculation line 128 supplies at least a portion of the unreacted helium to the fuel cell 112 again. As a result, the efficiency of the fuel cell device 110 is increased.

したがって、燃料電池装置110は、アノード排ガスの再循環のためアノード排ガス再循環回路130を備える。燃料電池装置110は、とりわけ、搬送ユニットが、上記の記述により説明されたように、アノード排ガス再循環回路130内にかつ/またはアノード排ガス再循環回路に接して配置されており、これにより、アノード排ガスの特に効率的な再循環が可能になることを特徴としている。   Therefore, the fuel cell device 110 includes an anode exhaust gas recirculation circuit 130 for recirculation of the anode exhaust gas. In the fuel cell device 110, among other things, the transport unit is arranged in the anode exhaust gas recirculation circuit 130 and / or in contact with the anode exhaust gas recirculation circuit, as explained by the above description, so that the anode It is characterized by a particularly efficient recirculation of the exhaust gas.

既に説明されたように、圧送装置12としてラジアルターボ送風機16を備える圧送ユニット10により、高い回転数が実現可能であり、これにより、強い圧力上昇が得られ、大量のアノード排ガスを再循環させることができる。図示の態様では、圧送ユニット10は、250000回転/分の回転数で運転される。これにより、燃料電池装置110の全体効率が大幅に高められている。   As already explained, the pumping unit 10 comprising the radial turbo blower 16 as the pumping device 12 makes it possible to achieve a high rotational speed, thereby obtaining a strong pressure rise and recirculating a large amount of anode exhaust gas. Can do. In the illustrated embodiment, the pumping unit 10 is operated at a rotational speed of 250,000 revolutions / minute. As a result, the overall efficiency of the fuel cell device 110 is greatly increased.

図示の態様では、圧送ユニット10は、改質器118の上流側に配置されており、これにより、排ガスの再循環の他に、追加的に新たな燃料も圧送することができる。この場合、圧送ユニット10は、供給管路114と圧送ユニット10の吸込通路28とのフランジ結合により、アノード排ガス再循環回路130内に取り付けられている。吹出通路28もまた、同様にフランジ結合により、管路116と結合されている。   In the illustrated embodiment, the pumping unit 10 is disposed on the upstream side of the reformer 118, so that in addition to exhaust gas recirculation, new fuel can also be pumped. In this case, the pumping unit 10 is mounted in the anode exhaust gas recirculation circuit 130 by a flange connection between the supply pipe 114 and the suction passage 28 of the pumping unit 10. The outlet passage 28 is also connected to the pipe line 116 by a flange connection.

択一的に、圧送ユニット10を、アノード排ガス再循環回路130の他の箇所に配置することも考えられる。そこで、圧送ユニット10を燃料電池112の下流側に配置することも考えられる。   As an alternative, it is also conceivable to arrange the pumping unit 10 in another part of the anode exhaust gas recirculation circuit 130. Therefore, it is conceivable to arrange the pressure feeding unit 10 on the downstream side of the fuel cell 112.

Claims (8)

少なくとも1つの圧送装置(12)と駆動装置(14)とを備え、前記圧送装置(12)は、前記駆動装置(14)に対して緊密に封止されている、圧送ユニット(10)であって、
前記圧送装置(12)は、ラジアルターボ送風機(16)として構成されていることを特徴とする、圧送ユニット(10)。
The pumping unit (10) includes at least one pumping device (12) and a driving device (14), and the pumping device (12) is tightly sealed with respect to the driving device (14). And
The pumping unit (10), wherein the pumping device (12) is configured as a radial turbo blower (16).
前記駆動装置(14)は、キャンドモータ(18)として構成されている、請求項1記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to claim 1, wherein the drive (14) is configured as a canned motor (18). 前記圧送装置(12)と前記駆動装置(14)とは、1つのユニットとして構成されている、請求項1または2記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to claim 1 or 2, wherein the pumping device (12) and the driving device (14) are configured as one unit. 前記圧送装置(12)と前記駆動装置(14)とは、電磁クラッチ(19)を介して作用結合されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to any one of claims 1 to 3, wherein the pumping device (12) and the driving device (14) are operatively coupled via an electromagnetic clutch (19). 前記圧送装置(12)は、少なくとも部分的に前記駆動装置(14)により取り囲まれている、請求項1から4までのいずれか1項記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to any one of the preceding claims, wherein the pumping device (12) is at least partially surrounded by the drive device (14). 前記圧送装置(12)と前記駆動装置(14)との間に壁部(32)が形成されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to any one of claims 1 to 5, wherein a wall (32) is formed between the pumping device (12) and the driving device (14). 前記壁部(32)は、前記圧送装置(12)および/または前記駆動装置(14)に対する保持部(33)として構成されている、請求項6記載の圧送ユニット(10)。   The pumping unit (10) according to claim 6, wherein the wall (32) is configured as a holding part (33) for the pumping device (12) and / or the drive device (14). 請求項1から7までのいずれか1項記載の少なくとも1つの圧送ユニット(10)が、流体技術的にアノード排ガス再循環回路(130)内にかつ/またはアノード排ガス再循環回路に接して配置されていることを特徴とする、アノード排ガス再循環回路(130)を備える燃料電池装置(110)。   The at least one pumping unit (10) according to any one of claims 1 to 7 is arranged in a fluid technical manner in the anode exhaust gas recirculation circuit (130) and / or in contact with the anode exhaust gas recirculation circuit. A fuel cell device (110) comprising an anode exhaust gas recirculation circuit (130).
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