JP5502521B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素製造用原燃料及び改質用水を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部を含む水素製造装置と、前記改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに冷却水を循環させて冷却する燃料電池冷却系と、を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention includes a hydrogen production apparatus including a reforming unit that reforms while heating raw fuel for hydrogen production and reforming water to generate a hydrogen-rich reformed gas, and consumes the reformed gas to generate power. The present invention relates to a fuel cell system including a generated fuel cell stack and a fuel cell cooling system for cooling the fuel cell stack by circulating cooling water.
この種の燃料電池システムにおいて、特許文献1に示すように、燃料電池スタックを冷却水タンクに蓄えた冷却水を、燃料電池スタックに循環させて燃料電池スタックを冷却する一方、燃料電池スタックからのオフガス中の水分を凝縮させて回収し、回収水タンクに蓄えた後、該回収水の一部を改質用水として、水素製造装置の改質部へ供給している。 In this type of fuel cell system, as shown in Patent Document 1, cooling water stored in a cooling water tank is circulated through the fuel cell stack to cool the fuel cell stack, After the moisture in the off gas is condensed and collected and stored in the recovered water tank, a part of the recovered water is supplied as reforming water to the reforming section of the hydrogen production apparatus.
特許文献1では、タンク及びポンプの数が増えてシステムのコンパクト化、コスト面で不利であった。
また、回収水タンクに蓄えられている間に放熱等により低温(常温)になった回収水を改質用水として用いているため、水素製造装置で該改質用水をスチーム化する際には、より多くの熱量が必要になる。つまり、変成器や選択酸化器で熱交換する熱量が増える。変成器や選択酸化器は、改質用水のスチーム化を兼ねた熱交換部だけでなく、ヒータや改質器を加熱するバーナからの排ガス等の加熱手段により、触媒の反応に好適な温度範囲に保たれているため、熱交換によって改質用水のスチーム化のために多くの熱量を奪われると、ヒータ通電やバーナへの供給燃料量を増やす必要があり、水素製造効率の低下を招いていた。
In Patent Document 1, the number of tanks and pumps is increased, which is disadvantageous in terms of downsizing the system and cost.
In addition, since the recovered water that has become low temperature (normal temperature) due to heat radiation or the like while being stored in the recovered water tank is used as the reforming water, when the reforming water is steamed in the hydrogen production device, More heat is needed. That is, the amount of heat exchanged by the transformer or the selective oxidizer increases. The transformer and the selective oxidizer are suitable for catalyst reaction not only by the heat exchanger that also serves as steam for reforming water, but also by heating means such as exhaust gas from the burner that heats the heater and reformer. Therefore, if a large amount of heat is lost due to the steaming of the reforming water by heat exchange, it is necessary to increase the amount of fuel supplied to the heater and burner, leading to a decrease in hydrogen production efficiency. It was.
さらに、回収水タンクからの回収水を、ポンプを介して燃料電池冷却系内の冷却水タンクに補給しているが、この構成では、回収水タンク内に貯蔵されて放熱等により低温(常温)になった水が冷却水タンク内に間欠的に供給されるため、冷却水タンク内の水温が急激に低下し、電池電圧が低下する恐れがある。
また、改質器に供給される改質用水の水温変動は、変成器や選択酸化部の温度変化を招き、ひいてはそれらの触媒の劣化に繋がることから、変成器や選択酸化部を好適な温度範囲に保つために水素製造装置の制御を頻繁に行う必要があり、水素製造装置の寿命低下に繋がっていた。
Furthermore, the recovered water from the recovered water tank is replenished to the cooling water tank in the fuel cell cooling system via a pump. In this configuration, the recovered water tank is stored in the recovered water tank and radiated to a low temperature (normal temperature). Since the water which became becomes intermittently supplied in a cooling water tank, the water temperature in a cooling water tank falls rapidly and there exists a possibility that a battery voltage may fall.
In addition, fluctuations in the water temperature of the reforming water supplied to the reformer lead to temperature changes in the converter and the selective oxidation unit, which in turn leads to deterioration of the catalyst. In order to keep the range, it is necessary to frequently control the hydrogen production apparatus, leading to a reduction in the life of the hydrogen production apparatus.
加えて、冷却水タンクへ回収水を供給するポンプを駆動することで、燃料電池システム内における消費電力の増加を招き、発電効率の低下に繋がっていた。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コンパクトかつ低コスト化を促進すると共に、システム各部の作動効率を高めた燃料電池システムを提供することを目的とする。
In addition, driving the pump that supplies the recovered water to the cooling water tank causes an increase in power consumption in the fuel cell system, leading to a decrease in power generation efficiency.
The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that is compact and promotes cost reduction and that increases the operating efficiency of each part of the system.
このため本発明は、水素製造用原燃料及び改質用水を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部を含む水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出口と水タンクとの間に熱交換器を備え、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させて前記燃料電池スタックを前記冷却水で冷却した後、前記冷却水を前記熱交換器で冷却する燃料電池冷却系と、を含む燃料電池システムであって、以下の構成を含む。 For this reason, the present invention is produced by a hydrogen production apparatus including a reforming unit that reforms while heating raw hydrogen fuel and reforming water to produce a hydrogen-rich reformed gas, and the hydrogen production apparatus. A fuel cell stack that consumes reformed gas to generate electric power, and a heat exchanger between an outlet of the fuel cell stack and a water tank, and circulates cooling water through the fuel cell stack so as to circulate the fuel cell stack. A fuel cell cooling system that cools the cooling water with the heat exchanger and then cools the cooling water with the heat exchanger. The fuel cell system includes the following configuration.
前記水タンクを、冷却水を貯蔵すると共に、当該燃料電池システムの一部で回収した水が直接補給される1個の水タンクで構成する一方、
前記燃料電池冷却系を循環する水の一部を、前記改質用水として前記改質部に供給する改質用水供給系を、前記燃料電池スタックの出口と前記熱交換器との間に接続した。
While the water tank is configured with a single water tank that stores cooling water and is directly replenished with water collected by a part of the fuel cell system,
Connecting said portion of the water that circulates through the fuel cell cooling system, the pre-Symbol reforming water supply system for supplying to the reforming section as a reforming water, between the heat exchanger and the outlet of the fuel cell stack did.
水タンクが1個で済み、また当該水タンクは複雑な構造を要しないため、システムのレイアウトをコンパクト化することができ、製造コストも低減できる。
また、燃料電池冷却系を循環する高温な冷却水の一部を、改質用水として改質部に供給するため、改質用水のスチーム化に必要な熱量を低減することができ、水素製造効率を高めることができる。
Since only one water tank is required and the water tank does not require a complicated structure, the layout of the system can be made compact and the manufacturing cost can be reduced.
In addition, since a part of the high-temperature cooling water circulating in the fuel cell cooling system is supplied to the reforming section as reforming water, the amount of heat required for steaming the reforming water can be reduced, and the hydrogen production efficiency Can be increased.
さらに、システムの一部から回収した水を水タンク内に直接補給することにより、急激な水温の変動を抑制することができるため、水タンク用のヒータも設ける必要がなく、また、回収水タンクから冷却水タンクへの水供給を行っていたポンプの駆動がなくなることで、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。また、水素製造装置の制御負荷が低減され、水素製造装置の長寿命化を図ることができる。 Furthermore, since water collected from a part of the system is directly replenished into the water tank, rapid fluctuations in water temperature can be suppressed, so there is no need to provide a heater for the water tank. The power generation efficiency of the fuel cell system can be increased by eliminating the drive of the pump that supplies water to the cooling water tank. Moreover, the control load of the hydrogen production apparatus is reduced, and the life of the hydrogen production apparatus can be extended.
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
水素製造用原燃料ポンプ1は、後述するように改質されて水素ガスを生成する元となる原燃料、例えば、灯油やメタノール等の液体燃料、天然ガス,メタンガス等の気体燃料など水素成分を含む燃料を水素製造装置2の改質部21に供給する。なお、原燃料が硫黄成分を含んでいる場合は脱硫装置を設け、該脱硫装置を介して原燃料から硫黄成分を除去した後、改質部21に供給する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
The raw fuel pump 1 for hydrogen production is a raw fuel that is reformed and generates hydrogen gas as will be described later, for example, a liquid fuel such as kerosene and methanol, a gaseous fuel such as natural gas and methane gas, and the like. The contained fuel is supplied to the reforming
水素製造装置2は、前記改質部21と、変成器22及び選択酸化器23からなるCO除去部24と、を備えて構成される。
改質部21は、改質反応を促進する改質触媒を備え、前記原燃料ポンプ1からの原燃料と改質用水とが混合した状態で供給されつつ、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する。
The
The reforming
この改質反応は吸熱反応であるため、改質部21には、バーナ21aが一体に備えられ、該バーナ21aにバーナ燃焼用燃料ポンプ3から供給された燃焼用燃料を燃焼して、改質部21を加熱し、改質反応を促進する。該燃焼用燃料は、水素製造用原燃料と同一でもよいが、異なる燃料を使用してもよく、また、改質ガス生成後は後述する燃料電池スタックのアノードからの余剰のオフガスに切換え又はこれを併用する。
Since this reforming reaction is an endothermic reaction, the
CO除去部24の変成器22は、前記改質部21を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する。
CO除去部24の選択酸化器23は、前記変成器22を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減し、CO等の不純物を許容値以下まで低減した水素リッチな改質ガスとする。
The
The
このようにして水素製造装置2で得られた改質ガスが、固体高分子形燃料電池(以下PEFCという)スタック4のアノード4aに供給される。
PEFCスタック4は、複数の電池セル(図示しない)が積み重ねられて構成され、改質ガスを用いて発電してDC電流を出力する。電池セルは、アノードとカソードと、アノード及びカソード間に配置された高分子電解質膜とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
The reformed gas obtained by the
The PEFC stack 4 is configured by stacking a plurality of battery cells (not shown), generates electric power using the reformed gas, and outputs a DC current. The battery cell has an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. Each battery cell is introduced by introducing reformed gas into the anode and air into the cathode. In this case, an electrochemical power generation reaction is performed.
また、PEFCスタック4は、発電反応に応じて発熱するため、冷却水を循環させて冷却する燃料電池冷却系を、以下のように配設する。
水タンク5とPEFCスタック4との間を、冷却水ポンプ6及びイオン交換樹脂7を介装した第1冷却水配管8によって接続すると共に、PEFCスタック4と水タンク5との間を、熱交換器9を介装した第2冷却水配管10によって接続する。
In addition, since the PEFC stack 4 generates heat in response to a power generation reaction, a fuel cell cooling system that circulates and cools cooling water is disposed as follows.
The
水タンク5内に貯蔵した冷却水を冷却水ポンプ6によって吸引吐出し、イオン交換樹脂7を介して不純物を除去して純水とした後、PEFCスタック4内を流通させて、PEFCスタック4を冷却する。PEFCスタック4を流出した冷却水は、熱交換器9を介して図示しない貯湯槽に貯蔵されて循環する湯と熱交換して冷却された後、水タンク5内に戻される。
Cooling water stored in the
また前記燃料電池冷却系内から一部の冷却水を取り出して改質用水として用いる。
本第1実施形態では、第2冷却水配管10の、燃料電池冷却系内でより高温となるPEFCスタック4と熱交換器9との間の位置に、改質用水ポンプ11を介装した改質用水配管12の入口を接続し、該改質用水配管12の出口を、水素製造装置2の改質部21に接続する。
A part of the cooling water is taken out from the fuel cell cooling system and used as reforming water.
In the first embodiment, the reforming
前記改質用水配管12内の改質用水は、改質部21のバーナ21aからの排ガスとの間で熱交換する熱交換器13及び、選択酸化器23及び変成器22内の各熱交換部23a及び22aを通過する間に加熱され、少なくとも一部が水蒸気となって改質部21に供給される。なお、選択酸化器23及び変成器22の温度は、熱交換部23a及び22aの他、改質器を加熱するためのバーナ排ガスとの熱交換部(図示せず)やヒータ(図示せず)等の加熱手段により好適な温度範囲になるよう制御されている。
The reforming water in the reforming
かかる燃料電池冷却系の水タンク5内に、燃料電池システムの一部から回収した水が直接補給される。該水補給系は、以下のように構成される。
PEFCスタック4のカソードでの反応により生成される水を、カソード4bから前記水タンク5に回収水として導く第1回収水配管14を配設する。
また、上述したように、水素製造装置2からの改質ガス生成後に、燃料電池スタックのアノードからの余剰のオフガスをバーナ21aに供給するため、アノードオフガス配管15を配設する一方、このアノードオフガス配管15の途中にオフガスを燃料電池冷却系の冷却水と熱交換する熱交換器16を配設する。そして、該熱交換器16内でオフガス中の水分を凝縮した凝縮水を熱交換器16のドレン口から前記水タンク5に回収水として導く第2回収水配管17を配設する。
Water collected from a part of the fuel cell system is directly supplied into the
A first recovered
In addition, as described above, after the reformed gas is generated from the
また、バーナ21aからの排ガスを放出する排ガス配管18の途中に燃料電池冷却系の冷却水によって熱交換する熱交換器19を配設する。さらに、該熱交換器18内で排ガス中の水分を凝縮した凝縮水を、熱交換器18のドレン口から前記水タンク5に回収水として導く第3回収水配管20を配設する。
さらに、水タンク5に、上水(常温水)を補給する上水補給配管31が配設される。該上水補給配管31には、開閉弁32が介装される。
Further, a
Furthermore, a
通常は、上記各部からの回収水による補給で、水タンク5には十分な量の水を蓄えることができるが、何らかの原因で水タンク5内の水が不足した場合には、開閉弁32を開いて上水補給配管21から水を補給することができ、また、メンテナンス時等に空とした水タンク5に上水補給配管21から上水を供給することができる。なお、上水補給配管21は、上水に限らず純水補給配管として利用することも可能である。
Normally, a sufficient amount of water can be stored in the
一方、PEFCスタック4にカソードからの余剰空気を主とするオフガスの一部を水タンク5の水中に導くカソードオフガス配管33を配設し、バブリングを行う。
以下、上記第1実施形態の効果について説明する。
まず、従来設けられていた回収水タンク及び回収水タンクから冷却水タンクへの補給用ポンプ、さらには補給用の制御等を不要とし、複雑な構造を要しない1個の水タンク5と1個の冷却水ポンプ6を用いて簡易な制御を行うだけで済むため、システムのコンパクト化を促進できると共に、製造コストも大幅に低減できる。
On the other hand, a
Hereinafter, effects of the first embodiment will be described.
First, a
また、燃料電池冷却系から取り出された高温(約70度)な冷却水を改質用水として改質部21に供給する構成としたため、上水や回収水等の低温水(常温水)をそのまま改質用水として用いる場合に比較し、改質用水のスチーム化に必要な熱量、即ち、ヒータ通電やバーナへの供給燃料量を大幅に減少することができ、水素製造効率を向上させることができる。
Further, since the high-temperature (about 70 degrees) cooling water taken out from the fuel cell cooling system is supplied to the reforming
特に、本第1実施形態では、PEFCスタック4の出口と熱交換器9、16との間の最も高温な水を改質用水として取り出す構成としたため、改質用水のスチーム化に必要な熱量を最大限減少させることができる。
また、燃料電池冷却系の水タンク5に、システム各部からの回収水を直接補給することにより、個別に回収水タンクを設けた場合に生じる回収水の放熱ロスや、低温化した水が水タンクに補給されることによる水温変動を抑制できる。一定時間に水タンクに流入する回収水量と冷却水量とを比較すると冷却水量の方が十分に多量であるため、回収水タンクに一定量蓄えられてからまとめて冷却水タンクに補給するより、常時直接的に冷却水タンクに補給する方が冷却水に与える影響が小さいからである。
In particular, in the first embodiment, since the hottest water between the outlet of the PEFC stack 4 and the
Further, by directly replenishing the
これにより、水素製造装置に供給される改質用水の水温が安定的になり、水素製造装置の制御負荷を低減することができる。また、水タンク用のヒータを設けることなくPEFCスタック4の発電動作を安定化できる。
また、水タンク5の出口とPEFCスタック4との間にイオン交換樹脂7を配設したことにより、各種水配管やPEFCスタック4を構成するセパレータに起因する金属イオン、又は上水補給を行った場合に含有するシリカやその他の不純物を除去した高純度な純水を改質用水として用いることができ、また、燃料電池冷却系に循環させることができる。
Thereby, the water temperature of the reforming water supplied to the hydrogen production apparatus becomes stable, and the control load of the hydrogen production apparatus can be reduced. Further, the power generation operation of the PEFC stack 4 can be stabilized without providing a heater for the water tank.
In addition, by providing the ion exchange resin 7 between the outlet of the
このため、改質触媒の劣化やPEFCスタック4でリーク電流を引き起こす原因となる冷却水の導電性の上昇を抑制し、PEFCスタック4を構成するセパレータ(図示せず)や、冷却水配管8、10、改質用水配管12や冷却水配管8、10、回収水配管14、17、20の閉塞、冷却水ポンプ6や改質用水ポンプ11の故障を低減することができる。
また、水タンク5内の水には、回収水の補給により二酸化炭素等が多く含まれる場合があるが、本実施形態では、カソード4bからの空気を主としたオフガスの少なくとも一部を水タンク5内の水中に導いてバブリングを行うことにより、水中の二酸化炭素を極力放出させることができる。なお、水タンク5には、水タンク5内から放出されるガスを排出するためのガス抜き孔が形成されている。
For this reason, deterioration of the reforming catalyst and an increase in the conductivity of the cooling water that causes a leakage current in the PEFC stack 4 are suppressed, and a separator (not shown) constituting the PEFC stack 4, the cooling
In addition, the water in the
これにより、二酸化炭素を含有した酸性水によるイオン交換樹脂7の損傷を抑制でき、ひいては、金属イオンや不純物を含んだ水によるPEFCスタック4や冷却水ポンプ6の故障、さらには改質用水配管12の閉塞及び改質触媒の劣化を抑制できる。
図2は、参考例を示す。
本参考例では、改質用水配管12の入口を、第1冷却水配管8の水タンク5の出口とPEFCスタック4の入口との間の位置に接続し、ここから改質用水として取り出す構成とする。
As a result, damage to the ion exchange resin 7 caused by acidic water containing carbon dioxide can be suppressed. As a result, failure of the PEFC stack 4 and the cooling water pump 6 due to water containing metal ions and impurities, and further, the reforming
FIG. 2 shows a reference example .
In this reference example, the inlet of the reforming
PEFCスタック4内を冷却水が循環する際に、PEFCスタックの気密が不十分であると冷却水中に空気(酸素)を含んでしまう可能性があるが、かかる構成とすれば、PEFCスタック4に入る前の空気(酸素)を含まない水を改質器に供給することができるため、空気(酸素)による改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
また、熱交換器9,16による熱交換後の適度に高温で、より安定した温度の改質用水を供給できるため、改質用水のスチーム化のために選択酸化器23aや変成器22aで熱交換される熱量が安定し、水素製造装置2の制御負荷がより軽減され、水素製造装置の長寿命化を図ることができる。
When the cooling water circulates in the PEFC stack 4, air (oxygen) may be contained in the cooling water if the PEFC stack is not sufficiently airtight. Since water that does not contain air (oxygen) before entering can be supplied to the reformer, oxidative deterioration of the reforming catalyst due to air (oxygen) can be suppressed.
In addition, since the reforming water can be supplied at a moderately high temperature after the heat exchange by the
さらに、本参考例では、改質用水配管12の入口を水タンク5の出口より下流のイオン交換樹脂7とPEFCスタック4との間の位置に接続しているため、イオン交換樹脂7によって金属イオンや不純物を除去した直後の、より高純度な純水を改質用水として供給することができるため、金属イオンや不純物による改質触媒の劣化、改質用ポンプ11の故障、改質用水配管12の閉塞等を、より効果的に抑制できる。
Furthermore, in this reference example, the inlet of the reforming
ここで、従来のように回収水タンクを別個に設けて回収水タンクからの回収水を改質用水として供給する場合に、同様の効果を得ようとすると、燃料電池冷却系と改質用水供給系とにそれぞれ1個、計2個のイオン交換樹脂を配設する必要がある。これに対し、本第2実施形態では、1個のイオン交換樹脂を配設すればよく、システムのコンパクト化、低コスト化をさらに促進できる。 Here, when a separate recovery water tank is provided and the recovery water from the recovery water tank is supplied as reforming water as in the conventional case, if the same effect is to be obtained, the fuel cell cooling system and the reforming water supply It is necessary to arrange two ion exchange resins, one for each system. On the other hand, in the second embodiment, only one ion exchange resin may be provided, and the system can be further reduced in size and cost.
尚、以上に本発明の実施形態を図面に基づいて説明したが、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the illustrated embodiments are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to those shown directly by the described embodiments. It goes without saying that various modifications and changes made by those skilled in the art are included within the scope of the claims.
1…水素製造用原燃料ポンプ
2…水素製造装置
3…バーナ燃焼用燃料ポンプ
4…PEFCスタック
5…冷却水タンク
6…冷却水ポンプ
7…イオン交換樹脂
8…第1冷却水配管
9…熱交換器
10…第2冷却水配管
11…改質用水ポンプ
12…改質用水配管
13…熱交換器
14…第1回収水配管
15…アノードオフガス配管
16…熱交換器
17…第2回収水配管
18…排ガス配管
19…熱交換器
20…第3回収水配管
21…改質部
22…変成器
23…選択酸化器
24…CO除去部
31…上水補給配管
32…開閉弁
33…カソードオフガス配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Raw fuel pump for
Claims (4)
前記水素製造装置によって製造された改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出口と水タンクとの間に熱交換器を備え、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させて前記燃料電池スタックを前記冷却水で冷却した後、前記冷却水を前記熱交換器で冷却する燃料電池冷却系と、
を含む燃料電池システムであって、
前記水タンクを、冷却水を貯蔵すると共に、当該燃料電池システムの一部で回収した水が直接補給される1個の水タンクで構成する一方、
前記燃料電池冷却系を循環する水の一部を、前記改質用水として前記改質部に供給する改質用水供給系を、前記燃料電池スタックの出口と前記熱交換器との間に接続したことを特徴とする燃料電池システム。 A hydrogen production apparatus including a reforming section that reforms while heating raw fuel for hydrogen production and reforming water to produce a hydrogen-rich reformed gas;
A fuel cell stack that consumes the reformed gas produced by the hydrogen production apparatus and generates electric power;
A heat exchanger is provided between an outlet of the fuel cell stack and a water tank, cooling water is circulated through the fuel cell stack to cool the fuel cell stack with the cooling water, and then the heat exchange is performed on the cooling water. A fuel cell cooling system that is cooled by a vessel ,
A fuel cell system comprising:
While the water tank is configured with a single water tank that stores cooling water and is directly replenished with water collected by a part of the fuel cell system,
A reforming water supply system for supplying a part of the water circulating through the fuel cell cooling system to the reforming section as the reforming water is connected between the outlet of the fuel cell stack and the heat exchanger. A fuel cell system.
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