JP2002358987A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、特に車載用に好適な加湿用水の収支の改善を行
うための燃料電池システムに関する。The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system for improving the balance of humidifying water suitable for use in vehicles.
【0002】[0002]
【従来の技術】下記の燃料電池システムにおける燃料ガ
スの循環手法としては、特開平8−321316号公報
に開示された燃料電池発電装置がある。この技術によれ
ば、エゼクタ又は燃料ガス供給路における水分凝縮によ
る水つまりを防止する目的で、燃料極出口からエゼクタ
に至る排ガスの循環路に気水分離器(除湿手段)を設置
し、排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて除去してい
る。2. Description of the Related Art As a method of circulating fuel gas in the following fuel cell system, there is a fuel cell power generator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-321316. According to this technology, a steam-water separator (dehumidifying means) is installed in a flue gas circulation path from a fuel electrode outlet to an ejector for the purpose of preventing water clogging due to water condensation in an ejector or a fuel gas supply path. Is condensed and removed.
【0003】また、エゼクタと燃料電池間の各経路に、
加熱装置や熱交換器を設置し、経路内の水蒸気が凝縮し
ないように温度を維持している。[0003] In each path between the ejector and the fuel cell,
A heating device and heat exchanger are installed to maintain the temperature so that the water vapor in the passage does not condense.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池発電装置においては、下記に述べるような問題
点があった。排ガス循環路に設けられた気水分離器は、
冷却水を用いて排ガスを冷却することにより、排ガス中
の水蒸気を凝縮させているが、エゼクタに供給される新
規燃料ガスよりも再循環される排ガスが高温な状態であ
ることがある。エゼクタの性能としては、駆動流の入口
温度が排ガス循環路により戻される排ガス温度よりも低
い状態にあると、循環比(循環量/新規供給量)として
のエゼクタ循環性能は低下する。However, the conventional fuel cell power generator has the following problems. The steam separator provided in the exhaust gas circulation path
Although the steam in the exhaust gas is condensed by cooling the exhaust gas using the cooling water, the exhaust gas recirculated may be hotter than the new fuel gas supplied to the ejector. As for the performance of the ejector, when the inlet temperature of the driving flow is lower than the exhaust gas temperature returned by the exhaust gas circulation path, the ejector circulation performance as the circulation ratio (circulation amount / new supply amount) is reduced.
【0005】また、車両に適用される燃料電池システム
においては、水収支が重要な要因となり、排ガス循環路
にある気水分離器で凝縮した水をドレンしているので、
システム内の水が減少し長時間走行した場合などには、
水の補給が必要となってしまう。以上の問題点に鑑み本
発明の目的は、加湿用水を効率的に確保、供給する燃料
電池システムを提供することである。In a fuel cell system applied to a vehicle, water balance is an important factor, and water condensed by a steam separator in an exhaust gas circulation path is drained.
If the water in the system decreases and you drive for a long time,
Water supply will be required. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that efficiently secures and supplies humidifying water.
【0006】また本発明の目的は、エゼクタ循環性能を
高めて、所望の燃料ガス流量及び圧力が得やすく、且つ
出力範囲を改善しつつ安定的に作動可能なる燃料電池シ
ステムを提供することである。It is another object of the present invention to provide a fuel cell system capable of easily obtaining a desired fuel gas flow rate and pressure by improving ejector circulation performance, and operating stably while improving an output range. .
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
上記目的を達成するため、燃料電池本体に供給する新規
燃料ガスを駆動流として、燃料電池本体から排出された
未反応燃料ガスを含む排ガスを循環させるとともに前記
新規燃料ガス及び前記排ガスを混合するエゼクタと、酸
化剤ガスまたは前記エゼクタで混合された燃料ガスまた
は両方のガスを加湿して燃料電池本体に供給する加湿器
と、燃料電池本体の排ガス排出口と前記エゼクタとを接
続する排ガス循環路に前記排ガスを除湿する除湿器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、前記除湿器が回収
した水を前記加湿器に供給することを要旨とする。According to the first aspect of the present invention,
In order to achieve the above object, an ejector that circulates exhaust gas containing unreacted fuel gas discharged from a fuel cell body and uses the new fuel gas supplied to the fuel cell body as a driving flow and mixes the new fuel gas and the exhaust gas And a humidifier that humidifies the oxidizing gas or the fuel gas mixed with the ejector or both gases and supplies the humidified gas to the fuel cell body, and an exhaust gas circulation path that connects the exhaust gas outlet of the fuel cell body and the ejector. A dehumidifier for dehumidifying the exhaust gas,
In the fuel cell system provided with, the gist is to supply the water collected by the dehumidifier to the humidifier.
【0008】請求項2記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前
記エゼクタに再循環する排ガスの温度を前記エゼクタに
供給される新規燃料ガスの温度に近づける、或いは、エ
ゼクタに供給される新規燃料ガスの温度を前記排ガス温
度に近づけるか又はそれ以上にする温度調整手段を備え
たことを要旨とする。According to a second aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the first aspect, the temperature of the exhaust gas recirculated to the ejector is changed to the temperature of the new fuel gas supplied to the ejector. The gist of the present invention is to provide a temperature adjusting means for bringing the temperature of the new fuel gas closer to the ejector or making the temperature of the new fuel gas close to or higher than the exhaust gas temperature.
【0009】請求項3記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前
記温度調整手段は、前記除湿器の機能を兼ねると共に前
記エゼクタの新規燃料ガス供給路と排ガス循環路との熱
交換を行う熱交換器であることを要旨とする。According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, the temperature adjusting means has a function of the dehumidifier and a new fuel gas supply passage of the ejector. The heat exchanger performs heat exchange between the heat exchanger and the exhaust gas circulation path.
【0010】請求項4記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前
記温度調整手段は、エゼクタの新規燃料ガス供給路に設
置したヒータであることを要旨とする。According to a fourth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the second aspect, the temperature adjusting means is a heater installed in a new fuel gas supply path of an ejector. And
【0011】請求項5記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項2記載の燃料電池システムにおいて、前
記温度調整手段は、エゼクタの新規燃料ガス供給路と前
記加湿器との間で熱交換を行うことを要旨とする。According to a fifth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, the temperature control means includes a heat source provided between a new fuel gas supply passage of an ejector and the humidifier. The point is to exchange.
【0012】請求項6記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、燃
料電池本体とエゼクタとの間に配設された2つの湿度調
整器と、一方の湿度調整器をエゼクタ出口と燃料電池本
体の燃料ガス入口との間に接続した際には、他方の湿度
調整器を燃料電池本体の排ガス出口とエゼクタ循環路入
口との間に接続して、一方の湿度調整器を加湿器として
作動させている間は、他方の湿度調整器を除湿器として
作動させ、適宜、両湿度調整器の接続を入れ替えて加湿
器と除湿器との役割を入れ替える切換弁と、を備えたこ
とを要旨とする。According to a sixth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the first aspect, two humidity regulators disposed between the fuel cell main body and the ejector are provided. When the humidity controller is connected between the ejector outlet and the fuel gas inlet of the fuel cell body, the other humidity controller is connected between the exhaust gas outlet of the fuel cell body and the ejector circulation path inlet. While the humidity controller of the above is operated as a humidifier, the other humidity controller is operated as a dehumidifier, and the connection between the two humidity controllers is switched as appropriate to switch the role of the humidifier and the dehumidifier. And that it is provided with.
【0013】請求項7記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項6記載の燃料電池システムにおいて、前
記2つの湿度調整器にそれぞれ配設された加熱源供給経
路と、加湿器として作動する方の湿度調整器に加熱源を
供給する加熱源供給切換手段と、を備えたことを要旨と
する。According to a seventh aspect of the present invention, in order to achieve the above object, the fuel cell system according to the sixth aspect operates as a heating source supply path provided in each of the two humidity regulators and as a humidifier. Heating source supply switching means for supplying a heating source to the humidity controller to be used.
【0014】請求項8記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項6または請求項7記載の燃料電池システ
ムにおいて、前記2つの湿度調整器にそれぞれ配設され
た冷却源供給経路と、除湿器として作動する方の湿度調
整器に冷却源を供給する冷却源供給切換手段と、を備え
たことを要旨とする。According to an eighth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the sixth or seventh aspect, a cooling source supply path provided in each of the two humidity regulators; A cooling source supply switching unit that supplies a cooling source to a humidity controller that operates as a dehumidifier.
【0015】[0015]
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、燃料電池
本体に供給する新規燃料ガスを駆動流として、燃料電池
本体から排出された未反応燃料ガスを含む排ガスを循環
させるとともに前記新規燃料ガス及び前記排ガスを混合
するエゼクタと、酸化剤ガスまたは前記エゼクタで混合
された燃料ガスまたは両方のガスを加湿して燃料電池本
体に供給する加湿器と、燃料電池本体の排ガス排出口と
前記エゼクタとを接続する排ガス循環路に前記排ガスを
除湿する除湿器と、を備えた燃料電池システムにおい
て、前記除湿器が回収した水を前記加湿器に供給するよ
うにしたので、燃料電池システムの水収支を改善して加
湿用の純水の補給量を減少させることができるという効
果がある。According to the first aspect of the present invention, the new fuel gas supplied to the fuel cell main body is used as a driving flow to circulate the exhaust gas containing the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell main body, and the novel fuel gas is circulated. An ejector for mixing a gas and the exhaust gas, a humidifier for humidifying an oxidizing gas or a fuel gas or a mixture of both gases supplied to the ejector and supplying the humidified gas to a fuel cell body, an exhaust gas outlet of the fuel cell body and the ejector And a dehumidifier for dehumidifying the exhaust gas in an exhaust gas circulation path connecting the fuel cell system and the dehumidifier, so that the water collected by the dehumidifier is supplied to the humidifier. And the amount of pure water for humidification can be reduced.
【0016】請求項2記載の発明によれば、請求項1記
載の発明の効果に加えて、前記エゼクタに再循環する排
ガスの温度を前記エゼクタに供給される新規燃料ガスの
温度に近づける、或いは、エゼクタに供給される新規燃
料ガスの温度を前記排ガス温度に近づけるか又はそれ以
上にする温度調整手段を備えたことにより、エゼクタに
おける循環比(循環量/新規供給量)性能を向上させ燃
料ガスの排出量を削減することができるという効果があ
る。又、燃料電池の作動をより安定させる効果もある。According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, the temperature of the exhaust gas recirculated to the ejector is made closer to the temperature of the new fuel gas supplied to the ejector, or , The temperature of the new fuel gas supplied to the ejector is brought close to or higher than the exhaust gas temperature by means of temperature adjusting means, thereby improving the performance of the circulation ratio (circulation amount / new supply amount) in the ejector, This has the effect of reducing the amount of emissions. In addition, there is also an effect of further stabilizing the operation of the fuel cell.
【0017】請求項3記載の発明によれば、請求項2記
載の発明の効果に加えて、前記温度調整手段は、前記除
湿器の機能を兼ねると共に前記エゼクタの新規燃料ガス
供給路と排ガス循環路との熱交換を行う熱交換器である
ことにしたので、排ガスが新規燃料ガスで冷却されると
ともに新規燃料ガスが排ガスで暖められ、排ガス中の水
分が除去されるようになり、除湿用の冷却水を不要とし
燃料電池システムの構成を簡素化することができるとい
う効果がある。According to the third aspect of the present invention, in addition to the effect of the second aspect of the present invention, the temperature adjusting means has a function of the dehumidifier and a new fuel gas supply path of the ejector and exhaust gas circulation. Since the heat exchanger exchanges heat with the road, the exhaust gas is cooled by the new fuel gas and the new fuel gas is heated by the exhaust gas, and the moisture in the exhaust gas is removed. There is an effect that the cooling water is not required and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
【0018】請求項4記載の発明によれば、請求項2記
載の発明の効果に加えて、前記温度調整手段は、エゼク
タの新規燃料ガス供給路に設置したヒータであることに
したので、新規燃料ガスの温度を上げて排ガスの温度に
近づけて循環比を向上させるという効果がある。According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effect of the second aspect, the temperature adjusting means is a heater installed in a new fuel gas supply path of the ejector. There is an effect that the temperature of the fuel gas is raised to approach the temperature of the exhaust gas to improve the circulation ratio.
【0019】請求項5記載の発明によれば、請求項2記
載の発明の効果に加えて、前記温度調整手段は、エゼク
タの新規燃料ガス供給路と前記加湿器との間で熱交換を
行うようにしたので、ヒータを設けることなく新規燃料
ガスの温度を上げて排ガスの温度に近づけて循環比を向
上させるという効果がある。According to the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the second aspect, the temperature adjusting means exchanges heat between the new fuel gas supply path of the ejector and the humidifier. Thus, there is an effect that the temperature of the new fuel gas is increased without providing a heater to approach the temperature of the exhaust gas to improve the circulation ratio.
【0020】請求項6記載の発明によれば、請求項1記
載の発明の効果に加えて、燃料電池本体とエゼクタとの
間に配設された2つの湿度調整器と、一方の湿度調整器
をエゼクタ出口と燃料電池本体の燃料ガス入口との間に
接続した際には、他方の湿度調整器を燃料電池本体の排
ガス出口とエゼクタ循環路入口との間に接続して、一方
の湿度調整器を加湿器として作動させている間は、他方
の湿度調整器を除湿器として作動させ、適宜、両湿度調
整器の接続を入れ替えて加湿器と除湿器との役割を入れ
替える切換弁と、を備えたことにより、一方の湿度調整
器で加湿を行って内部の水分を消費すると共に、他方の
湿度調整器で除湿を行って内部に水分を貯留し、しかる
後に、両方の湿度調整器を切換弁で入れ換えることで両
湿度調整器間の水の移送を不要とすることができるとい
う効果がある。According to the invention of claim 6, in addition to the effect of the invention of claim 1, two humidity regulators disposed between the fuel cell body and the ejector, and one of the humidity regulators Is connected between the ejector outlet and the fuel gas inlet of the fuel cell body, the other humidity controller is connected between the exhaust gas outlet of the fuel cell body and the ejector circulation path inlet to adjust the humidity of one side. While the device is operated as a humidifier, the other humidity controller is operated as a dehumidifier, and a switching valve that switches the connection between the two humidity regulators and switches the roles of the humidifier and the dehumidifier, as appropriate. With this, one humidifier humidifies and consumes internal moisture, and the other humidifier dehumidifies to store moisture and then switches both humidity regulators. The water between the two humidity regulators is changed by switching valves. There is an effect that it is possible to eliminate the transfer.
【0021】請求項7記載の発明によれば、請求項6記
載の発明の効果に加えて、前記2つの湿度調整器にそれ
ぞれ配設された加熱源供給経路と、加湿器として作動す
る方の湿度調整器に加熱源を供給する加熱源供給切換手
段と、を備えたことにより、湿度調整器による加湿性能
がより一層向上するという効果がある。According to the seventh aspect of the present invention, in addition to the effects of the sixth aspect of the present invention, a heating source supply path provided in each of the two humidity adjusters and a heating source supply path which operates as a humidifier are provided. The provision of the heating source supply switching means for supplying the heating source to the humidity controller has an effect that the humidification performance of the humidity controller is further improved.
【0022】請求項8記載の発明によれば、請求項6ま
たは請求項7記載の発明の効果に加えて、前記2つの湿
度調整器にそれぞれ配設された冷却源供給経路と、除湿
器として作動する方の湿度調整器に冷却源を供給する冷
却源供給切換手段と、を備えたことにより、湿度調整器
による除湿性能がより一層向上するという効果がある。According to the invention described in claim 8, in addition to the effects of the invention described in claim 6 or 7, the cooling source supply paths respectively provided in the two humidity regulators and the dehumidifier are provided. The provision of the cooling source supply switching means for supplying the cooling source to the operating humidity controller has the effect of further improving the dehumidifying performance of the humidity controller.
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】〔第1の実施形態〕図1は、本発
明に係る燃料電池システムの第1の実施形態の構成を示
す概略構成図である。同図において、第1の実施形態の
燃料電池システムは、燃料ガスを高圧の状態で充填して
いる水素ボンベ1と、水素ボンベ1の高圧燃料ガスを所
定の制御可能な圧力に調整する調圧バルブ2と、調圧バ
ルブ2で調圧された燃料ガスを駆動流とし、燃料電池本
体5からの排ガスとを混合して加湿器4へ供給するエゼ
クタ3と、燃料電池本体5の反応膜を湿潤な状態に保持
するために燃料ガスを加湿する加湿器4と、燃料ガスと
酸化ガスとしての空気とが供給され、これらの電気化学
反応により発電する燃料電池本体5と、燃料電池本体5
の排ガス出口からエゼクタ3の吸引口に至る循環路7に
配設され循環路7内の排ガスから水蒸気を凝縮して除去
するための除湿器6と、除湿器6で生成された水を加湿
器4に供給する回収水経路10と、を備えている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment includes a hydrogen cylinder 1 filled with a fuel gas at a high pressure and a pressure regulation for adjusting the high-pressure fuel gas of the hydrogen cylinder 1 to a predetermined controllable pressure. The valve 2, the fuel gas regulated by the pressure regulating valve 2 as a driving flow, the ejector 3 which mixes the exhaust gas from the fuel cell main body 5 and supplies the mixed gas to the humidifier 4, and the reaction film of the fuel cell main body 5 A humidifier 4 for humidifying the fuel gas in order to keep it in a wet state, a fuel gas main body 5 for supplying a fuel gas and air as an oxidizing gas and generating electricity by an electrochemical reaction thereof, and a fuel cell main body 5
A dehumidifier 6 disposed in a circulation path 7 extending from an exhaust gas outlet of the above to the suction port of the ejector 3 for condensing and removing water vapor from the exhaust gas in the circulation path 7, and humidifying the water generated by the dehumidifier 6 And a recovered water path 10 for supplying the collected water to the recovered water path 4.
【0024】次に、本実施形態の作用と効果について説
明する。エゼクタ3の主要な性能指標である循環比r
は、排ガスの循環流量Qrと、調圧バルブ2を介して供
給される新規燃料ガスの供給流量Qpとの比、つまりr
=Qr/Qpで示される。Next, the operation and effect of this embodiment will be described. The circulation ratio r, which is a main performance index of the ejector 3
Is the ratio of the circulation flow rate Qr of the exhaust gas to the supply flow rate Qp of the new fuel gas supplied through the pressure regulating valve 2, that is, r
= Qr / Qp.
【0025】ここで、エゼクタ上流部と循環路入口部の
それぞれの温度Top,Tos、圧力Pop,Pos、
密度ρop,ρosから、管路内の摩擦を無視し、連続
の式、運動方程式、エネルギーの保存式をたて、整理す
ると、循環比rは、エゼクタ上流部と循環路入口部の温
度比TR,圧力比PR、密度比ρRに対し、TRとρR
の平方根に比例し、PRの逆数に比例するので、比例定
数をkとすれば、式(1)で示される。Here, the temperatures Top and Tos, the pressures Pop and Pos of the upstream part of the ejector and the inlet part of the circulation path, respectively,
From the densities ρop and ρos, ignoring the friction in the pipeline and formulating a continuous equation, equation of motion, and energy conservation equation, the circulation ratio r becomes the temperature ratio TR between the upstream of the ejector and the entrance of the circulation path. , Pressure ratio PR, density ratio ρR, TR and ρR
And proportional to the reciprocal of PR. If the proportionality constant is k, it is expressed by equation (1).
【0026】[0026]
【数1】 r=Qr/Qp=k√(TR)√(ρR)/PR …(1) ここで、TRはTop/Tos、PRはPop/Po
s、ρR=ρop/ρosである。R = Qr / Qp = k√ (TR) √ (ρR) / PR (1) where TR is Top / Tos and PR is Pop / Po.
s, ρR = ρop / ρos.
【0027】第1の実施形態においては、ρRを改善す
ることに注目し、燃料電池からの排ガス中の水蒸気を除
湿器6で凝縮することにより、PRを1に近づけ循環比
rを改善している。In the first embodiment, noting that ρR is improved, water vapor in exhaust gas from the fuel cell is condensed by the dehumidifier 6 to make PR closer to 1 and improve the circulation ratio r. I have.
【0028】さらに車両においては、加湿器4に供給す
る純水タンクは小型であることが望ましいので、除湿器
6で凝縮した水を回収水経路10を介して加湿器4やそ
の他の純水が必要とされる箇所に供給する。Further, in the vehicle, since the pure water tank to be supplied to the humidifier 4 is desirably small, the water condensed by the dehumidifier 6 is collected by the humidifier 4 and other pure water through the recovery water path 10. Supply where needed.
【0029】〔第2の実施形態〕図2は、本発明に係る
燃料電池システムの第2の実施形態の構成を示す概略構
成図である。同図において、第2の実施形態の燃料電池
システムは、エゼクタ3の循環比に関係する因子TRを
1に近づけるための熱交換器8を、エゼクタ3の上流に
設置し、この熱交換器8が図1の除湿器6の機能を兼ね
るものである。その他の構成は、図1に示した第1の実
施形態と同様であるので、同じ機能を有する構成要素に
は、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。[Second Embodiment] FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, in the fuel cell system of the second embodiment, a heat exchanger 8 for bringing a factor TR relating to the circulation ratio of the ejector 3 close to 1 is installed upstream of the ejector 3, and this heat exchanger 8 These also function as the dehumidifier 6 of FIG. The other configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and the same reference numerals are given to the components having the same functions, and the duplicate description will be omitted.
【0030】本実施形態においては、燃料電池本体5か
らの高温な排ガスを循環路7を介して熱交換器8に導
き、エゼクタ3への燃料ガス供給経路の外周部と熱交換
を行うようにしている。この熱交換により、排ガス温度
Tosが低下し、新規燃料ガス温度Topは上昇する。
このため、温度比TR=Top/Tosは大きくなり、
循環比rが向上する。In the present embodiment, the high-temperature exhaust gas from the fuel cell main body 5 is guided to the heat exchanger 8 via the circulation path 7 to exchange heat with the outer peripheral portion of the fuel gas supply path to the ejector 3. ing. Due to this heat exchange, the exhaust gas temperature Tos decreases, and the new fuel gas temperature Top increases.
Therefore, the temperature ratio TR = Top / Tos increases,
The circulation ratio r is improved.
【0031】また熱交換器8と加湿器4との間には、凝
縮した水を加湿器4に供給するための回収水経路10が
設けられている。従来例においては、排ガス中の水蒸気
を凝縮させるために、除湿器を冷却する冷却水が必要で
あったが、この第2の実施形態においては、熱交換器8
が除湿器の機能を兼ね備えるため、除湿用の冷却水を設
ける必要が無く、燃料電池システムの構成を簡素化でき
る。Further, between the heat exchanger 8 and the humidifier 4, a recovered water path 10 for supplying condensed water to the humidifier 4 is provided. In the conventional example, cooling water for cooling the dehumidifier was required in order to condense the water vapor in the exhaust gas. However, in the second embodiment, the heat exchanger 8
Has the function of a dehumidifier, so there is no need to provide cooling water for dehumidification, and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
【0032】〔第3の実施形態〕図3は、本発明に係る
燃料電池システムの第3の実施形態の構成を示す概略構
成図である。同図において、第3の実施形態の燃料電池
システムは、図1に示した第1の実施形態に対して、エ
ゼクタ3に供給される燃料ガス経路にヒータ9を設置
し、ヒータ9内の温度Thを検出するヒータ内温度計2
1と、エゼクタ3の循環路入口の温度Trを検出する循
環路温度計22と、このヒータ9を制御するためヒータ
9に温水を供給する温水経路に温水のON/OFF、ま
たは温水流量を制御する温水制御バルブ23とを加えて
いる。その他の構成は、図1と同様であり、重複する説
明は省略する。[Third Embodiment] FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell system according to the third embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that a heater 9 is installed in a fuel gas path supplied to the ejector 3 and the temperature inside the heater 9 is changed. Thermometer in heater for detecting Th 2
1, a circulation path thermometer 22 for detecting the temperature Tr at the entrance of the circulation path of the ejector 3, and a control of the ON / OFF of the hot water or the flow rate of the hot water in the hot water path for supplying the hot water to the heater 9 for controlling the heater 9. And a hot water control valve 23. Other configurations are the same as those in FIG.
【0033】第3の実施形態においては、エゼクタ3に
供給される燃料ガス経路にヒータ9を設置し、エゼクタ
3へ供給する燃料ガスの温度Top(≒Th)を循環路
7からエゼクタ3へ再循環する排ガス温度Tos(≒T
r)と同等、或いは、それ以上に上昇させることによ
り、温度比TRを大きくしてエゼクタ循環性能を向上さ
せるものである。In the third embodiment, a heater 9 is provided in a fuel gas path supplied to the ejector 3, and the temperature Top (≒ Th) of the fuel gas supplied to the ejector 3 is returned from the circulation path 7 to the ejector 3. Circulating exhaust gas temperature Tos (TT
By increasing the temperature ratio to the same value as or more than r), the ejector circulation performance is improved by increasing the temperature ratio TR.
【0034】図3では、ヒータ9は温水により燃料ガス
を加熱するヒータを示したが、これに限らず、電気によ
り温度上昇させる電気ヒータであってもよい。この場合
には、温水制御バルブ23に換えて、ON/OFFスイ
ッチまたは通電時間率を変更可能な半導体スイッチによ
り、電気ヒータによる加熱の制御が可能である。In FIG. 3, the heater 9 is a heater for heating the fuel gas with hot water, but is not limited to this, and may be an electric heater for increasing the temperature by electricity. In this case, instead of the hot water control valve 23, the heating by the electric heater can be controlled by an ON / OFF switch or a semiconductor switch capable of changing the energization time ratio.
【0035】図4は、第3の実施形態における制御動作
を説明するフローチャートであり、一定時間毎に呼び出
されるサブルーチンとして構成されている。ここでは、
温水制御バルブ23を単純な開閉バルブとしている。ま
ず、ヒータ内温度計21と、循環路温度計22を読み出
し、ヒータ内温度Th、循環路入口温度Trを得る(ス
テップS10)。次いで、ヒータ内温度Thより循環路
入口温度Trが高いか否かを判定し(ステップS1
2)、Trが高ければ温水制御バルブ23を開いて(ス
テップS14)、ステップS16へ進む。ステップS1
2の判定でTrが高くなければ、ステップS16へ進
む。FIG. 4 is a flowchart for explaining the control operation in the third embodiment, which is configured as a subroutine called at regular intervals. here,
The hot water control valve 23 is a simple open / close valve. First, the thermometer 21 in the heater and the thermometer 22 in the circulation path are read, and the temperature Th in the heater and the temperature Tr in the circulation path are obtained (step S10). Next, it is determined whether the circulation path entrance temperature Tr is higher than the heater internal temperature Th (step S1).
2) If Tr is high, open the hot water control valve 23 (step S14) and proceed to step S16. Step S1
If Tr is not high in the determination of 2, the process proceeds to step S16.
【0036】ステップS16では、〔Th−Tr〕が所
定値T1を超えているか否かを判定する。〔Th−T
r〕が所定値T1を超えていれば、温水制御バルブ23
を閉じて(ステップS18)、リターンする。ステップ
S16の判定で、〔Th−Tr〕が所定値T1を超えて
いなければ、なにもせずリターンする。温水制御バルブ
23が開度調整可能なバルブであれば、ステップS14
で開度を高め、ステップS18で開度を低めるように制
御すればよい。In step S16, it is determined whether or not [Th-Tr] exceeds a predetermined value T1. [Th-T
r] exceeds the predetermined value T1, the hot water control valve 23
Is closed (step S18), and the process returns. If [Th-Tr] does not exceed the predetermined value T1 in the determination of step S16, the process returns without doing anything. If the hot water control valve 23 is a valve whose opening can be adjusted, step S14 is performed.
May be controlled to increase the opening, and to decrease the opening in step S18.
【0037】尚、加熱に利用する温水の温度が燃料電池
の排ガスと同程度、或いは、数十度高い程度であれば、
特に温度センサ等を用いて制御する必要はない。If the temperature of the hot water used for heating is about the same as that of the exhaust gas of the fuel cell, or about tens of degrees higher,
In particular, there is no need to control using a temperature sensor or the like.
【0038】〔第4の実施形態〕図5は、本発明に係る
燃料電池システムの第4の実施形態の構成を示す概略構
成図である。同図において、第4の実施形態の燃料電池
システムは、図1に示した第1の実施形態に対して、水
素ボンベ1から調圧バルブ2を介して燃料ガスをエゼク
タ3に供給する燃料ガス経路11が加湿器4の内部を通
過し、燃料ガスと加湿器4との間で熱交換されるように
なっている点である。その他の構成は、図1と同様であ
り、重複する説明は省略する。[Fourth Embodiment] FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell system of the fourth embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that fuel gas is supplied from a hydrogen cylinder 1 to an ejector 3 via a pressure regulating valve 2. The point is that the passage 11 passes through the inside of the humidifier 4 and heat is exchanged between the fuel gas and the humidifier 4. Other configurations are the same as those in FIG.
【0039】第4の実施形態では、エゼクタに供給する
燃料ガス経路11を、エゼクタと燃料電池本体5間にあ
る加湿器4を通過させることにより、燃料ガス温度を上
昇させ、TRを1に近づけることによりエゼクタの循環
性能を向上させるものである。In the fourth embodiment, the fuel gas path 11 to be supplied to the ejector is passed through the humidifier 4 between the ejector and the fuel cell main body 5 to raise the fuel gas temperature and bring TR close to 1. This improves the circulation performance of the ejector.
【0040】第3の実施形態に対しては、ヒータの設置
が不要であるが、加湿器4による熱交換のため、TRを
1以上にすることは困難であり、エゼクタ循環性能の向
上代は第3の実施形態より低くなることが避けられな
い。In the third embodiment, it is not necessary to install a heater, but it is difficult to increase the TR to 1 or more due to heat exchange by the humidifier 4, and the amount of improvement in the ejector circulation performance can be improved. It is inevitable that it will be lower than in the third embodiment.
【0041】〔第5の実施形態〕図6は、本発明に係る
燃料電池システムの第5の実施形態の構成を示す概略構
成図である。同図において、第5の実施形態の燃料電池
システムは、燃料ガスを高圧の状態で充填している水素
ボンベ1と、水素ボンベ1の高圧燃料ガスを所定の制御
可能な圧力に調整する調圧バルブ2と、調圧バルブ2で
調圧された燃料ガスを駆動流とし、燃料電池本体5から
の排ガスとを混合するエゼクタ3と、燃料ガスと酸化ガ
スとしての空気とが供給され、これらの電気化学反応に
より発電する燃料電池本体5と、エゼクタ3と燃料電池
本体5との間に設けられた2つの湿度調整器11,12
と、一方の湿度調整器(図6の状態では12)をエゼク
タ3の出口と燃料電池本体5の燃料ガス入口との間に接
続した際には、他方の湿度調整器(図6の状態では1
1)を燃料電池本体5の排ガス出口とエゼクタ循環路入
口との間に接続して、一方の湿度調整器12を加湿器と
して作動させている間は、他方の湿度調整器11を除湿
器として作動させ、適宜、両湿度調整器11,12の接
続を入れ替えて加湿器と除湿器との役割を入れ替える切
換弁である切換バルブ13,14と、湿度調整器11ま
たは12に温水を供給する温水源17と、湿度調整器1
1または12に冷水を供給する冷水源18と、湿度調整
器11または12の一方に温水を供給し他方に冷水を供
給する切換バルブ15,16と、切換バルブ13,1
4,15,16を制御する制御装置20とを備えてい
る。[Fifth Embodiment] FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, a fuel cell system according to a fifth embodiment has a hydrogen cylinder 1 filled with a fuel gas at a high pressure, and a pressure regulation for adjusting the high-pressure fuel gas of the hydrogen cylinder 1 to a predetermined controllable pressure. A valve 2, an ejector 3 for mixing the exhaust gas from the fuel cell body 5 with the fuel gas regulated by the pressure regulating valve 2 as a driving flow, and a fuel gas and air as an oxidizing gas are supplied. A fuel cell main body 5 for generating power by an electrochemical reaction, and two humidity regulators 11 and 12 provided between the ejector 3 and the fuel cell main body 5
When one of the humidity controllers (12 in the state of FIG. 6) is connected between the outlet of the ejector 3 and the fuel gas inlet of the fuel cell body 5, the other humidity controller (12 in the state of FIG. 6) 1
1) is connected between the exhaust gas outlet of the fuel cell main body 5 and the inlet of the ejector circulation path, and while one humidity controller 12 is operated as a humidifier, the other humidity controller 11 is used as a dehumidifier. Switching valves 13 and 14 which are operated to switch the functions of the humidifier and the dehumidifier by switching the connections of the humidity controllers 11 and 12 as appropriate, and hot water for supplying hot water to the humidity controller 11 or 12. Source 17 and humidity controller 1
A chilled water source 18 for supplying chilled water to 1 or 12; switching valves 15 and 16 for supplying hot water to one of the humidity regulators 11 or 12 and chilled water to the other;
And a control device 20 for controlling the control units 4, 15, and 16.
【0042】第5の実施形態においては、切換バルブ1
5,16の切換により、2つの湿度調整器11,12の
一方が温水により加熱され加湿器となる場合は、他方が
冷水により冷却されて湿度の高い排ガスから水蒸気を吸
着(又は凝縮)する除湿器となり、逆に、一方が除湿器
となる場合には他方が加湿器となる。In the fifth embodiment, the switching valve 1
In the case where one of the two humidity regulators 11 and 12 is heated by hot water to become a humidifier by switching between 5 and 16, the other is cooled by cold water and adsorbs (or condenses) water vapor from exhaust gas with high humidity. If one is a dehumidifier, the other is a humidifier.
【0043】湿度調整器11,12の内部には、例えば
粒状のシリカゲル、高分子吸着剤等の水分吸着剤が保持
され、流入するガスと水分の授受が可能となっている。
即ち、湿度の高いガスが流入した場合には、ガスから湿
度調整器11,12が水蒸気を取り込み、逆に湿度の低
いガスが流入した場合には、湿度調整器11,12から
ガスへ加湿するようになっている。A moisture adsorbent such as, for example, granular silica gel or a polymer adsorbent is held inside the humidity adjusters 11 and 12, so that it is possible to exchange the flowing gas and moisture.
That is, when a high humidity gas flows, the humidity controllers 11 and 12 take in water vapor from the gas, and when a low humidity gas flows, the humidity controllers 11 and 12 humidify the gas from the gas. It has become.
【0044】そして、燃料ガスは、エゼクタ3から、湿
度調整器12(加湿器)、燃料電池本体5、湿度調整器
11(除湿器)、エゼクタ3という経路で循環する。燃
料電池本体5からの排ガスは、湿度調整器11(除湿
器)で水蒸気が吸着(又は凝縮)され、ある程度除湿さ
れた状態でエゼクタ3に入る。前述したように循環経路
で除湿されたガスは、密度ρが低下するので、ρRが高
くなりエゼクタ循環性能が向上する。The fuel gas circulates from the ejector 3 through the route of the humidity controller 12 (humidifier), the fuel cell body 5, the humidity controller 11 (dehumidifier), and the ejector 3. Exhaust gas from the fuel cell body 5 enters the ejector 3 in a state where water vapor is adsorbed (or condensed) by the humidity controller 11 (dehumidifier) and dehumidified to some extent. As described above, since the gas dehumidified in the circulation path has a lower density ρ, ρR is higher and the ejector circulation performance is improved.
【0045】この状態で、湿度調整器11に内部に十分
水分を取り込み、逆に湿度調整器12から水分を放出し
た後に、切換バルブ13,14を切り換えることにより
両湿度調整器11,12の除湿器/加湿器の役割が入れ
替わり、加湿器となっていた湿度調整器12が除湿器と
なり、除湿器となっていた湿度調整器11が加湿器とな
る。同様にρRが高くなりエゼクタ循環性能が向上す
る。このとき、同時に温水及び冷水の供給先を切り換え
る切換バルブ15,16も切り換える。これら切換バル
ブ13,14,15,16の切換のタイミングとして
は、経過時間、燃料電池本体入口や各湿度調整器に設け
た湿度計によるなどが考えられる。In this state, sufficient moisture is taken into the humidity controller 11, and after the moisture is released from the humidity controller 12, the switching valves 13 and 14 are switched to dehumidify the humidity controllers 11 and 12. The role of the humidifier / humidifier is exchanged, and the humidity controller 12 serving as a humidifier becomes a dehumidifier, and the humidity controller 11 serving as a dehumidifier becomes a humidifier. Similarly, ρR is increased and the ejector circulation performance is improved. At this time, the switching valves 15 and 16 for switching the hot water and cold water supply destinations are simultaneously switched. The timing of switching these switching valves 13, 14, 15, 16 may be an elapsed time, a fuel cell main body inlet, or a hygrometer provided at each humidity controller.
【0046】図7(a)は、第5の実施形態における制
御動作を説明するフローチャートであり、切換バルブの
切換タイミングとして経過時間を利用する例である。こ
の処理は、一定時間毎に呼び出されるサブルーチンとし
て構成されている。この実施形態において用いる経過時
間測定用のタイマは、燃料電池システムの起動時にジェ
ネラルリセットされると共に、任意のタイミングでリセ
ット可能な常時計時型のタイマとする。FIG. 7A is a flowchart for explaining the control operation in the fifth embodiment, in which the elapsed time is used as the switching timing of the switching valve. This process is configured as a subroutine called at regular intervals. The timer for measuring the elapsed time used in this embodiment is a normal clock timer that can be reset at an arbitrary timing while being generally reset when the fuel cell system is started.
【0047】まず、湿度調整用タイマの時間tを読み出
す(ステップS20)。次いで、判別時間Toをtが超
えるか否かを判定し(ステップS22)、超えていなけ
れば何もせずにリターンする。超えていれば、タイマを
リセット(t←0)して(ステップS24)、燃料ガス
の経路を切り換える切換バルブ13,14を切り換え
(ステップS26)、温水、冷水の経路を切り換える切
換バルブ15,16を切り換えて(ステップS28)、
リターンする。尚、判別時間Toは、定数であってもよ
いし、燃料電池の運転状態あるいはガス供給目標等に応
じて設定される変数であってもよい。First, the time t of the humidity adjustment timer is read (step S20). Next, it is determined whether or not t exceeds the determination time To (step S22), and if not, the process returns without doing anything. If it exceeds, the timer is reset (t ← 0) (step S24), the switching valves 13 and 14 for switching the path of the fuel gas are switched (step S26), and the switching valves 15 and 16 for switching the path of the hot water and the cold water. (Step S28), and
To return. Note that the determination time To may be a constant or a variable set according to the operating state of the fuel cell, the gas supply target, or the like.
【0048】図7(b)は、第5の実施形態における制
御動作を説明するフローチャートであり、切換バルブの
切換タイミングとして、燃料電池本体入口に設けた湿度
計が検出した湿度を利用する例である。この処理は、一
定時間毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されて
いる。FIG. 7B is a flow chart for explaining the control operation in the fifth embodiment, in which the humidity detected by a hygrometer provided at the inlet of the fuel cell main body is used as the switching timing of the switching valve. is there. This process is configured as a subroutine called at regular intervals.
【0049】まず、燃料電池本体入口に設けた湿度計に
よる湿度Hinを読み出す(ステップS30)。次い
で、湿度Hinが設定値Cより低いか否かを判定し(ス
テップS32)、湿度Hinが設定値Cより低くなけれ
ば、何もせずにリターンする。低ければ、燃料ガスの経
路を切り換える切換バルブ13,14を切り換え(ステ
ップS34)、温水、冷水の経路を切り換える切換バル
ブ15,16を切り換えて(ステップS36)、リター
ンする。尚、設定値Cは、定数であってもよいし、燃料
電池の運転状態あるいはガス供給目標等に応じて設定さ
れる変数であってもよい。First, the humidity Hin by a hygrometer provided at the entrance of the fuel cell main body is read (step S30). Next, it is determined whether the humidity Hin is lower than the set value C (step S32). If the humidity Hin is not lower than the set value C, the process returns without doing anything. If it is lower, the switching valves 13 and 14 for switching the path of the fuel gas are switched (step S34), and the switching valves 15 and 16 for switching the paths of the hot water and the cold water are switched (step S36), and the process returns. The set value C may be a constant or a variable set according to the operating state of the fuel cell or the gas supply target.
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1の実施形
態の要部を示すシステム構成図である。FIG. 1 is a system configuration diagram showing a main part of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
【図2】本発明に係る燃料電池システムの第2の実施形
態の要部を示すシステム構成図である。FIG. 2 is a system configuration diagram showing a main part of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図3】本発明に係る燃料電池システムの第3の実施形
態の要部を示すシステム構成図である。FIG. 3 is a system configuration diagram showing a main part of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図4】第3の実施形態の動作を説明するフローチャー
トである。FIG. 4 is a flowchart illustrating an operation of the third embodiment.
【図5】本発明に係る燃料電池システムの第4の実施形
態の要部を示すシステム構成図である。FIG. 5 is a system configuration diagram showing a main part of a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図6】本発明に係る燃料電池システムの第5の実施形
態の要部を示すシステム構成図である。FIG. 6 is a system configuration diagram showing a main part of a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図7】(a)第5の実施形態の動作を説明するフロー
チャートであり、経過時間により湿度調整器を切り換え
る例を示す。 (b)第5の実施形態の動作を説明するフローチャート
であり、湿度検出により湿度調整器を切り換える例を示
す。FIG. 7A is a flowchart illustrating the operation of the fifth embodiment, and shows an example in which the humidity controller is switched according to the elapsed time. (B) It is a flowchart explaining operation | movement of 5th Embodiment, and shows the example which switches a humidity adjuster by humidity detection.
1 水素ボンベ 2 調圧バルブ 3 エゼクタ 4 加湿器 5 燃料電池本体 6 除湿器 7 循環路 10 回収水経路 REFERENCE SIGNS LIST 1 hydrogen cylinder 2 pressure regulating valve 3 ejector 4 humidifier 5 fuel cell body 6 dehumidifier 7 circulation path 10 recovered water path
Claims (8)
駆動流として、燃料電池本体から排出された未反応燃料
ガスを含む排ガスを循環させるとともに前記新規燃料ガ
ス及び前記排ガスを混合するエゼクタと、 酸化剤ガスまたは前記エゼクタで混合された燃料ガスま
たは両方のガスを加湿して燃料電池本体に供給する加湿
器と、 燃料電池本体の排ガス排出口と前記エゼクタとを接続す
る排ガス循環路に前記排ガスを除湿する除湿器と、を備
えた燃料電池システムにおいて、 前記除湿器が回収した水を前記加湿器に供給することを
特徴とする燃料電池システム。An ejector that circulates exhaust gas containing unreacted fuel gas discharged from the fuel cell main body while using the new fuel gas supplied to the fuel cell main body as a driving flow, and mixes the new fuel gas and the exhaust gas; A humidifier that humidifies the oxidizing gas or the fuel gas mixed by the ejector or both gases and supplies the humidified gas to the fuel cell main body; A fuel cell system comprising: a dehumidifier for dehumidifying water; and supplying the water collected by the dehumidifier to the humidifier.
を前記エゼクタに供給される新規燃料ガスの温度に近づ
ける、或いは、エゼクタに供給される新規燃料ガスの温
度を前記排ガス温度に近づけるか又はそれ以上にする温
度調整手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の燃
料電池システム。2. The temperature of the exhaust gas recirculated to the ejector approaches the temperature of the new fuel gas supplied to the ejector, or the temperature of the new fuel gas supplied to the ejector approaches the exhaust gas temperature, or 2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a temperature adjusting unit configured as described above.
を兼ねると共に前記エゼクタの新規燃料ガス供給路と排
ガス循環路との熱交換を行う熱交換器であることを特徴
とする請求項2記載の燃料電池システム。3. The heat exchanger according to claim 2, wherein said temperature adjusting means is a heat exchanger which also functions as said dehumidifier and performs heat exchange between a new fuel gas supply passage of said ejector and an exhaust gas circulation passage. The fuel cell system as described.
料ガス供給路に設置したヒータであることを特徴とする
請求項2記載の燃料電池システム。4. The fuel cell system according to claim 2, wherein said temperature adjusting means is a heater installed in a new fuel gas supply path of an ejector.
料ガス供給路と前記加湿器との間で熱交換を行うことを
特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。5. The fuel cell system according to claim 2, wherein said temperature adjusting means performs heat exchange between a new fuel gas supply path of an ejector and said humidifier.
れた2つの湿度調整器と、 一方の湿度調整器をエゼクタ出口と燃料電池本体の燃料
ガス入口との間に接続した際には、他方の湿度調整器を
燃料電池本体の排ガス出口とエゼクタ循環路入口との間
に接続して、一方の湿度調整器を加湿器として作動させ
ている間は、他方の湿度調整器を除湿器として作動さ
せ、適宜、両湿度調整器の接続を入れ替えて加湿器と除
湿器との役割を入れ替える切換弁と、 を備えたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池シス
テム。6. When two humidity adjusters are provided between the fuel cell main body and the ejector, and one of the humidity adjusters is connected between the ejector outlet and the fuel gas inlet of the fuel cell main body. While the other humidity controller is connected between the exhaust gas outlet of the fuel cell body and the ejector circulation path inlet, and one of the humidity controllers is operated as a humidifier, the other humidity controller is used as a dehumidifier. 2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a switching valve that operates as a switch, and switches the connection between the two humidity regulators to switch the roles of the humidifier and the dehumidifier.
れた加熱源供給経路と、 加湿器として作動する方の湿度調整器の加熱源供給経路
に加熱源を供給する加熱源供給切換手段と、 を備えたことを特徴とする請求項6記載の燃料電池シス
テム。7. A heating source supply path provided in each of the two humidity controllers, and a heating source supply switching unit for supplying a heating source to a heating source supply path of a humidity controller that operates as a humidifier. The fuel cell system according to claim 6, comprising:
れた冷却源供給経路と、 除湿器として作動する方の湿度調整器の冷却源供給経路
に冷却源を供給する冷却源供給切換手段と、 を備えたことを特徴とする請求項6または請求項7記載
の燃料電池システム。8. A cooling source supply path provided to each of the two humidity controllers, and a cooling source supply switching means for supplying a cooling source to a cooling source supply path of a humidity controller that operates as a dehumidifier. The fuel cell system according to claim 6, comprising:
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2001
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