JP3842109B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電極構造体がセパレータを介して複数個積層される燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池を構成する燃料電池セルには、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持することにより平板状に構成されたものがある。このように構成された燃料電池セルは、その厚さ方向に複数積層されることにより燃料電池を構成している。
【0003】
各燃料電池セルでは、アノード電極に対向配置されるアノード側セパレータの一面に燃料ガス(例えば、水素)の流路が設けられ、カソード電極に対向配置されるカソード側セパレータの一面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)の流路が設けられている。また、隣接する燃料電池セルの隣接するセパレータ間には、冷却媒体(例えば、純水)の流路が設けられている。
【0004】
そして、アノード電極の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極に移動する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極においては、酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して、水が生成される。電極反応面では、水が生成される際に熱が発生するので、セパレータ間に流通させられる冷却媒体によって冷却されるようになっている。
【0005】
上記のような燃料電池においては、セパレータを、導電性等の電気的特性や耐食性に優れさらに精度的にも優れたカーボン製とすることが一般に行われているが、カーボン製のものは、厚さが大きくなってしまう上、強度、生産性が低いという問題がある。このような点から、プレス加工で成形でき薄板で生産性が高い金属製のセパレータを用いることが検討され、金属製セパレータに関する技術がすでに開示されている(特開2000−21419号公報参照)。
【0006】
すなわち、金属製セパレータを用いる燃料電池は、図5の断面図に示すように、固体高分子電解質膜1の両側にアノード電極2とカソード電極3とを有してなる膜電極構造体4のさらに両側に一対の波板状の金属製セパレータ5,6を配置して構成される燃料電池セル7を有している。このような燃料電池セル7を、隣合う金属セパレータ5,6同士における凸部8,9同士を突き合わせ、凹部10,11同士を対向させるようにして複数積層し、前記燃料電池が構成されるのである。そして、金属製セパレータ5,6に対向する凹部10,11間の空間を冷却媒体用の流路12とし、金属製セパレータ5の凸部8の裏側の凹部13とアノード電極2との間の空間を燃料ガス流路14とし、金属製セパレータ6の凸部9の裏側の凹部15とカソード電極3との間の空間を酸化剤ガス流路16としている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレス加工により成形される金属製セパレータは、薄肉のため反りやうねり等の形状誤差が発生しやすく、そのまま用いると、金属製セパレータの平面度を確保することが困難である。特に、複数積層された燃料電池セルを積層方向に締結することで燃料電池を形成した場合、燃料電池セルに締め付け荷重がかかると、前記金属製セパレータの形状誤差が累積して燃料電池セルに反りやうねりが発生し、その結果、隣接するアノード電極やカソード電極の電極面にかかる面圧が不均一となるおそれがある。そして、接触抵抗が増えて燃料電池の内部抵抗が大きくなり目的とする性能を得ることが困難になるおそれがある。
【0008】
したがって、セパレータ間に弾性部材からなる中間板(例えば板バネ)を設けることにより、燃料電池セルで発生した反りやうねり等を吸収させて、燃料電池セルに適正な面圧を付与することが検討されている。
【0009】
このような中間板を用いる場合に、燃料電池の小型化や軽量化を考慮して、この中間板をセパレータよりも小さく形成すると、セパレータ内における位置決めが難しく、一方、ノックピンなどでセパレータに固定することも考えられるが、中間板の変位の自由度が損なわれ、上述した反りやうねり等の吸収が困難になるという問題があった。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セパレータ間に設けられる中間板の一定の変位の自由度を確保しつつセパレータに対する中間板の位置決めが容易な燃料電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、電解質(例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜21)を一対の電極(例えば、実施の形態におけるアノード電極22,カソード電極23)で挟持した電極構造体(例えば、実施の形態における膜電極構造体24)の両側にセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ25,26)が配置され、該電極構造体と両側のセパレータによって燃料電池セル(例えば、実施の形態における燃料電池セル27)が構成され、該燃料電池セルが複数個積層され、隣接する燃料電池セルのセパレータの間に、当接するセパレータを弾発付勢する中間板(例えば、実施の形態における中間板36)が設けられている燃料電池であって、前記隣接する燃料電池セルの一方のセパレータに弾性突起(例えば、実施の形態における弾性突起40)を設置し、前記中間板を、該中間板に設けた孔部にセパレータの前記弾性突起を係合させることにより、固定することを特徴とする燃料電池である。
【0012】
このように構成することで、中間板が弾性突起に固定され、弾性突起はその性質上一定範囲で伸縮可能であるため、中間板はセパレータに対して摺動することができる。このため、セパレータや電極構造体、ひいては燃料電池セルの反りやうねりを吸収できる。また、中間板は燃料電池の内部に設けられるので、積層方向の厚みを増すおそれがなく、燃料電池の小型化や軽量化の妨げとはならない。
【0013】
なお、中間板は冷却流路を区画する場合のみならず、ガス流路を区画する場合にも適用することができる。また、弾性突起はセパレータに接着もしくは焼き付けることで設置することができる。そして、燃料電池としては、固体高分子型、固体電解質型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。
【0014】
請求項2に記載した発明は、前記一方のセパレータに設置される弾性突起(例えば、実施の形態における弾性突起51)と、前記隣接する燃料電池セルのセパレータの間をシールするシール部材(例えば、実施の形態における冷却面シール部材52)と、を一体形成したことを特徴とする燃料電池である。
【0015】
このように構成することで、弾性突起はシール部材と同一の材料を用いることができ、シール部材とともに一度に配置することができるため成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができるためコストを下げることができる。
【0016】
請求項3に記載した発明は、前記弾性突起(例えば、実施の形態における弾性突起61)が抜け止め部(例えば、実施の形態における抜け止め部62)を備えていることを特徴とする燃料電池である。
このように構成することで、中間板が弾性突起から脱落することを防止でき、中間板に対する信頼性を高めることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図1は図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。燃料電池20は、固体高分子電解質膜21の厚さ方向における両側にこれを挟み込むようにアノード電極22とカソード電極23を対設して構成される膜電極構造体24を備えている。そして、前記膜電極構造体24をさらに一対の金属製セパレータ25,26で挟み込んでなる燃料電池セル27を複数積層して構成され、積層された燃料電池セル27の両端から電力を取り出すようになっている。
【0018】
金属製セパレータ25,26は、例えば板厚0.1〜0.5mmのステンレス製板材をプレス加工で打ち抜きかつ折り曲げて成形された一対のもので、金属製セパレータ25には、それぞれの中央部に凹部28と凸部29とが交互に配設された波板部30が設けられており、金属製セパレータ26には、それぞれの中央部に凸部31と凹部32とが交互に配設された波板部33が設けられている。なお、金属製セパレータ25,26の材質としては、ステンレス鋼またはステンレス鋼の表面に耐食性を有する材料でコーティングを施したものを用いることができる。
【0019】
金属製セパレータ25は、その複数の凹部28をアノード電極22に当接させ、その複数の凸部29をアノード電極22に対向させるようにして配置される。また、金属製セパレータ26は、その複数の凸部31をカソード電極23に当接させ、その複数の凹部32をカソード電極23に対向させるようにして配置される。
【0020】
セパレータ25,26間には、中間板36が介装がされている。中間板36は平滑な金属板からなり、荷重が加えられた際に弾性変形し、かつ前記荷重が除去されて元に形状に復帰する際に弾発力を付与する。この弾発付勢によりセパレータ25、26同士、ひいては燃料電池セル27同士の電気的な接触が確保される。これについては詳細を後述する。
【0021】
アノード電極22とこれに隣接する金属製セパレータ25の凸部29との間の空間が燃料ガス流路34とされて該燃料ガス流路34に水素ガスが供給される。一方、カソード電極23とこれに隣接する金属製セパレータ26の凹部32との間の空間が酸化剤ガス流路35とされて該酸化剤ガス流路35に空気が供給される。また、金属製セパレータ25の凹部28と中間板36との間の空間と、金属製セパレータ26の凸部31と中間板36との間の空間が、冷却媒体流路37とされて該冷却媒体流路37に冷却液が供給され、膜電極構造体24を冷却するようになっている。
【0022】
なお、セパレータ25,26の間には、該セパレータ25,26の周縁部をシールする冷却面シール部材38が設けられている。また、膜電極構造体24とセパレータ25,26の間にはガスシール部材(図示せず)が設けられ、膜電極構造体24やセパレータ25,26には反応ガスや冷却液が供給または排出される連通孔(いずれも図示せず)が設けられているが、これらについては説明を省略する。
【0023】
前記中間板36は、セパレータ25,26よりも平面寸法を小さく形成され、セパレータ25,26間の冷却面シール部材38よりも内側に設けられている。そして、各セパレータ25,26間に形成される冷却媒体流路37が冷却面シール部材38によって区画されている。また、前記中間板36には、その周縁に係合孔39が形成されており、前記冷却面シール部材38よりも内側に配置したゴム製の弾性突起40に前記係合孔39が係合している。これにより、中間板36は、弾性突起40に固定されることでセパレータ25,26間に位置決め保持される。また、弾性突起40の性質上、中間板36はセパレータ25,26の変位に追従して移動できる程度の自由度が確保されるのである。本実施の形態においては、中間板36を位置決めするために、中間板36の外周に2カ所の係合孔39を設けている。また、前記中間板36は、係合孔39が形成されている外周部とその内部との間に段差部41が形成されている。このように前記中間板36に段差部41を形成したことにより、係合孔39を弾性突起40の基端側(奥側)で係合することができるため、係合孔39が弾性突起40から容易に抜け出るおそれがなくなり、より確実に中間板36を位置決め保持することができる。
【0024】
このようにしたため、燃料電池20の運転時に、セパレータ25、26や膜電極構造体24は積層方向に沿って熱膨張を起こした場合であっても、このときに中間板36が弾性変形して、当接するセパレータ25,26を弾発付勢する。このため、これらのセパレータ25,26に隣接するアノード電極22やカソード電極23の電極面にかかる面圧を均一に保持することができる。そして、接触抵抗の増加による燃料電池20の内部抵抗の増大を抑制できるため、燃料電池20から目的とする性能を十分に得ることできる。
【0025】
また、燃料電池20の運転が停止して温度が下がり、該燃料電池セル27が積層方向に沿って収縮した際には、中間板36が元の形状に復帰する。この際、中間板36がセパレータ25,26を弾発付勢する。すなわち、セパレータ25,26は中間板36によって押圧され、これにより、燃料電池セル27に対する加圧保持力が維持される。また、燃料電池セル27にいわゆるへたりが生じた場合にも同様に、中間板36がセパレータ25,26を弾発付勢することによって燃料電池セル27に対する加圧保持力が維持される。さらに、セパレータ25,26に反りやうねり等の形状誤差が発生した場合であっても、前記中間板36が、セパレータ25,26に適正な形状となる方向に弾性力を付与するため、前記セパレータ25,26や膜電極構造体24、ひいては燃料電池セル27の反りやうねりを吸収することができる。
そして、中間板36は弾性突起40に固定されているため、一旦中間板36が上述したように変形しても再び所定の位置に復帰することができる。
【0026】
このように、中間板36がセパレータ25,26の所定位置に変位可能な自由度を確保しつつ位置決めされているので、セパレータ25,26や膜電極構造体24、ひいては燃料電池セル27で発生する変形(上述した熱膨張や熱収縮、へたりや形状誤差等)による寸法変化を、前記中間板36により吸収することができる。また、燃料電池の内部で中間板36の位置決めがされるので、燃料電池20の小型化や軽量化の障害とはならない。
【0027】
次に、第2の実施の形態における燃料電池50について図2を用いて説明する。なお、以下の説明において、前記実施の形態と同様の部材については、同一の番号を付してその説明を適宜省略する。
図2の断面図に示した燃料電池50は、弾性突起51が冷却面シール部材52と一体形成されている点で、前記燃料電池20と異なっている。このようにしたため、弾性突起51は冷却面シール部材52と同一の材料を用いることができ、冷却面シール部材52とともに配置することができるため、成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができる。
【0028】
次に、第3の実施の形態における燃料電池60について図3を用いて説明する。図3の断面図に示した燃料電池60においては、弾性突起61が抜け止め部62を備えている点が前記燃料電池50と異なっている。このようにしたため、中間板36が積層方向に移動した場合であっても、係合孔39の部分が抜け止め部62に当接保持されるため、中間板36をより確実に保持しておくことができるため、中間板36の信頼性を高めることができる。
【0029】
次に、第4の実施の形態における燃料電池70について図4を用いて説明する。図4の断面図に示した燃料電池70においては、セパレータ25,26に加えてさらにセパレータ71を設けている。前記セパレータ71は、その複数の凸部72を前記セパレータ25の凹部28に当接させ、その複数の凹部73を前記セパレータ25の凸部29に対向させるとともにアノード電極22に当接させるようにして配置されている。このようにしたため、前記中間板36とセパレータ25の凹部28間の空間に形成される燃料ガス流路34に加えて、セパレータ71の凸部72とアノード電極22との間の空間にも燃料ガス流路74を形成することができる。このように、中間板36を設けることにより、積層方向に異なる燃料ガス流路34,74を形成することができ、これらの流路間で燃料ガスを折り返して流すことができる。なお、セパレータ71の凹部73とセパレータ25の凸部29との間の空間には冷却媒体流路75が形成される。また、本実施の形態においては、燃料ガス流路を折り返した場合について説明したが、酸化剤ガス流路を折り返す場合にも適用することができることはもちろんである。
【0030】
なお、以上の実施の形態においては、セパレータが金属製である場合について説明したが、これに限らずカーボン製のセパレータであってもよい。また、中間板は、セパレータよりも小さいサイズのものについて説明したが、燃料電池の小型化や軽量化に支障がなければ、セパレータと同等あるいはそれよりも大きなサイズであってもよい。また、中間板は上述したように燃料電池セルの熱膨張や熱収縮、へたりや形状誤差等による変形を防止する場合には板バネなどの弾性部材を用いることが好ましいが、単なるスペーサーとして使用する場合には弾性部材である必要はない。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載した発明によれば、セパレータや電極構造体、ひいては燃料電池セルの変形を防止できる。また、中間板は燃料電池の内部に設けられるので、積層方向の厚みを増すおそれがなく、燃料電池の小型化や軽量化の妨げとはならない。
【0032】
請求項2に記載した発明によれば、シール部材と同一の材料を用いることができ、一度に配置することができるため、成形工程が容易となり、部品点数も少なくすることができる。
【0033】
請求項3に記載した発明によれば、中間板が弾性突起から脱落することを防止でき、中間板に対する信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図2】 図2は本発明の第2の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図3】 図3は本発明の第3の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図4】 図4は本発明の第4の実施の形態における燃料電池を示す要部断面図である。
【図5】 図5は従来における燃料電池を示す要部断面図である。
【符号の説明】
20 燃料電池
21 固体高分子電解質膜
22 アノード電極
23 カソード電極
24 膜電極構造体
25,26 セパレータ
36 中間板
37 冷却媒体流路
39 係合孔
40、51、61 弾性突起
62 抜け止め部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of electrode structures each having an electrolyte sandwiched between a pair of electrodes are stacked via a separator.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell constituting the fuel cell is configured in a flat plate shape by sandwiching a membrane electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane with a pair of separators. There is something. The fuel battery cells configured as described above constitute a fuel cell by being stacked in the thickness direction.
[0003]
In each fuel cell, a flow path of a fuel gas (for example, hydrogen) is provided on one surface of an anode separator disposed opposite to the anode electrode, and an oxidant gas (on the one surface of the cathode separator disposed opposite to the cathode electrode). For example, a flow path of air containing oxygen) is provided. A flow path for a cooling medium (for example, pure water) is provided between adjacent separators of adjacent fuel cells.
[0004]
When fuel gas is supplied to the electrode reaction surface of the anode electrode, hydrogen is ionized here, and this hydrogen ion moves to the cathode electrode through the solid polymer electrolyte membrane. Electrons generated during this time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water. Since heat is generated when water is generated on the electrode reaction surface, the electrode reaction surface is cooled by a cooling medium circulated between the separators.
[0005]
In the fuel cell as described above, it is generally performed that the separator is made of carbon having excellent electrical characteristics such as conductivity and corrosion resistance, and also excellent in accuracy. In addition, there is a problem that strength and productivity are low. From such a point, it has been studied to use a metal separator that can be formed by press working and is thin and highly productive, and a technique related to the metal separator has already been disclosed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-21419).
[0006]
That is, a fuel cell using a metal separator has a
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the metal separator formed by press working is thin, shape errors such as warpage and undulation are likely to occur. If it is used as it is, it is difficult to ensure the flatness of the metal separator. In particular, when a fuel cell is formed by fastening a plurality of stacked fuel cells in the stacking direction, when a tightening load is applied to the fuel cells, the shape error of the metal separator accumulates and warps the fuel cells. As a result, the surface pressure applied to the electrode surfaces of the adjacent anode electrode and cathode electrode may be non-uniform. Then, the contact resistance increases and the internal resistance of the fuel cell increases, which may make it difficult to obtain the intended performance.
[0008]
Therefore, by providing an intermediate plate (for example, a leaf spring) made of an elastic member between the separators, it is possible to absorb warpage, undulation, etc. generated in the fuel cell and apply an appropriate surface pressure to the fuel cell. Has been.
[0009]
When such an intermediate plate is used, if the intermediate plate is formed smaller than the separator in consideration of the reduction in size and weight of the fuel cell, positioning in the separator is difficult, while it is fixed to the separator with a knock pin or the like. However, there is a problem in that the degree of freedom of displacement of the intermediate plate is impaired and it becomes difficult to absorb the warp and swell described above.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell in which positioning of the intermediate plate with respect to the separator is easy while ensuring a certain degree of freedom of displacement of the intermediate plate provided between the separators. Objective.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
[0012]
By configuring in this way, the intermediate plate is fixed to the elastic protrusion, and the elastic protrusion can be expanded and contracted within a certain range due to its property, so that the intermediate plate can slide relative to the separator. Therefore, it is possible to absorb warpage and undulation of the separator, the electrode structure, and consequently the fuel cell. Further, since the intermediate plate is provided inside the fuel cell, there is no risk of increasing the thickness in the stacking direction, and it does not hinder downsizing and weight reduction of the fuel cell.
[0013]
The intermediate plate can be applied not only when the cooling channel is defined but also when the gas channel is defined. Further, the elastic protrusion can be installed by bonding or baking to the separator. The fuel cell may be any of a solid polymer type, a solid electrolyte type, an alkali type, a phosphoric acid type, and a molten carbonate type.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a sealing member (for example, a seal member) that seals between an elastic protrusion (for example, the
[0015]
With this configuration, the elastic protrusion can be made of the same material as the seal member, and can be arranged together with the seal member, facilitating the molding process and reducing the number of parts. Can be lowered.
[0016]
The invention described in
By comprising in this way, it can prevent that an intermediate | middle board falls out from an elastic protrusion, and can improve the reliability with respect to an intermediate | middle board.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. The
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
An
[0021]
A space between the
[0022]
A cooling
[0023]
The
[0024]
Thus, even when the
[0025]
Further, when the operation of the
Since the
[0026]
As described above, the
[0027]
Next, the
The
[0028]
Next, a
[0029]
Next, a
[0030]
In addition, in the above embodiment, although the case where a separator was metal was demonstrated, it is not restricted to this, A carbon-made separator may be sufficient. The intermediate plate has been described as having a size smaller than that of the separator, but may be the same size or larger than that of the separator as long as there is no problem in reducing the size and weight of the fuel cell. Further, as described above, it is preferable to use an elastic member such as a leaf spring in order to prevent deformation due to thermal expansion or contraction of the fuel cell, sag or shape error, etc. When it does, it does not need to be an elastic member.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to prevent deformation of the separator, the electrode structure, and the fuel cell. Further, since the intermediate plate is provided inside the fuel cell, there is no risk of increasing the thickness in the stacking direction, and it does not hinder downsizing and weight reduction of the fuel cell.
[0032]
According to the second aspect of the present invention, the same material as that of the seal member can be used and can be disposed at a time. Therefore, the molding process is facilitated and the number of parts can be reduced.
[0033]
According to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part showing a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part showing a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
20
Claims (3)
該燃料電池セルが複数個積層され、隣接する燃料電池セルのセパレータの間に、当接するセパレータを弾発付勢する中間板が設けられている燃料電池であって、
前記隣接する燃料電池セルの一方のセパレータに弾性突起を設置し、
前記中間板を、該中間板に設けた孔部にセパレータの前記弾性突起を係合させることにより、固定することを特徴とする燃料電池。 Separators are disposed on both sides of an electrode structure in which an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel battery cell is configured by the electrode structure and separators on both sides.
A fuel cell in which a plurality of the fuel cells are stacked, and an intermediate plate is provided between the separators of the adjacent fuel cells to elastically bias the abutting separator ,
Installing an elastic protrusion on one separator of the adjacent fuel cells;
A fuel cell, wherein the intermediate plate is fixed by engaging the elastic protrusion of a separator with a hole provided in the intermediate plate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001345104A JP3842109B2 (en) | 2001-11-09 | 2001-11-09 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001345104A JP3842109B2 (en) | 2001-11-09 | 2001-11-09 | Fuel cell |
Publications (2)
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