JP2006210136A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】長期間に亘って安定した発電が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池の筐体には、起電部52、燃料タンク、燃料と水とを混合する混合タンク、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路、起電部に空気を供給する空気供給部、起電部からの生成物を排出するカソード流路を規定した排出管72が設けられている。カソード流路は、起電部52から延出した第1流路72aと、第1流路から複数に分岐しそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路72bと、第1流路および各分岐流路の下端に連通し第1流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部72cと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンクに導く回収流路72dと、を有している。複数の分岐流路72bの内部にはフィンが設けられている。
【選択図】 図11
【解決手段】燃料電池の筐体には、起電部52、燃料タンク、燃料と水とを混合する混合タンク、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路、起電部に空気を供給する空気供給部、起電部からの生成物を排出するカソード流路を規定した排出管72が設けられている。カソード流路は、起電部52から延出した第1流路72aと、第1流路から複数に分岐しそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路72bと、第1流路および各分岐流路の下端に連通し第1流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部72cと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンクに導く回収流路72dと、を有している。複数の分岐流路72bの内部にはフィンが設けられている。
【選択図】 図11
Description
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池に関する。
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ノートPCと称する)、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
通常、DMFCは筐体を備え、この筐体内には、高濃度のメタノールが収容された燃料タンク、燃料タンクのメタノールを水によって希釈する混合タンク、この混合タンクで希釈されたメタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等が設けられている。起電部はアノードおよびカソードを備え、アノード側に希釈されたメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。その際、起電部は化学変化の反応熱により加熱され高温となる。一般に、燃料電池は、その発電量に比例して熱が発生する。
発電による発熱は、起電部表面、およびアノード流路、カソード流路から筐体内部に排熱される。また、筐体内部の空気は、筐体の内面部に設けられた冷却ファン、空気ブロワ等により換気される。それにより、燃料電池は過度の温度上昇が抑制され、好ましい動作温度に維持される(例えば、特許文献1)。
特開平7−6777号公報
上述した燃料電池では、発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側に炭酸ガスが、カソード側に水が発生する。前述したように、発電による発熱は、アノード流路およびカソード流路から排熱されるが、カソード流路からは、反応生成物である水の一部が蒸気となって燃料電池の筐体内に排出される。そのため、燃料電池の冷却を、カソード流路からの蒸気排気に頼る場合、水が蒸気となって徐々に失われ、発電反応に必要な水が不足してしまう。その結果、燃料が残っているにも拘わらず、燃料電池の発電能力が低下するとう問題が生じる。
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、長期間に亘って安定した発電が可能な燃料電池を提供することにある。
上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池は、筐体と、筐体内に設けられ化学反応により発電を行う起電部と、筐体内に設けられ、燃料を収納した燃料タンクと、起電部と燃料タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路と、起電部に空気を供給する空気供給部と、起電部に接続され起電部からの生成物を排出するカソード流路と、カソード流路に設けられた放熱部と、を備え、カソード流路は、起電部から延出した第1流路と、第1流路から複数に分岐した複数の分岐流路と、第1流路および各分岐流路の下端に連通し第1流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部と、貯溜部内に貯溜された水を燃料タンクに導く回収流路と、を有し、放熱部は複数の分岐流路に設けられ、各分岐流路内部にはフィンが設けられることを特徴としている。
以上のように構成された本発明によれば、起電部より発生する水蒸気を効果的に凝縮することができ、発電反応に必要な水の不足を防止し、安定した発電が可能な燃料電池を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態に係る燃料電池について詳細に説明する。
図1ないし図3に示すように、燃料電池10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成され、また、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ11の電源として使用可能に構成されている。
燃料電池10は筐体12を備えている。この筐体12は、ほぼ角柱状に形成され水平に延びた本体14と、本体から延出した載置部16とを有している。載置部16は、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ11の後部を載置可能に形成されている。後述するように、本体14内には、発電部を構成する燃料タンク、起電部、混合タンク等が配置されている。また、載置部16内には、制御部29、およびパーソナルコンピュータ11をロックするロック機構等が配置されている。
図1ないし図3に示すように、本体14は、載置部16の底壁と一体の平坦な底壁18a、この底壁とほぼ平行に対向した天壁18b、底壁と天壁との間に位置した前壁18c、後壁18d、および一対の側壁18e有している。一対の側壁18eは、それぞれ外側に向かって凸となる曲面状に形成されている。前壁18cには多数の通気孔20が形成され、これら通気孔と対向する位置において、後壁18dには多数の通気孔21が形成されている。また、本体14の一方の側壁18eには、排気孔として機能する多数の通気孔22が形成されている。底壁18の外面には複数の脚24が設けられている。本体14の天壁18bの前端部には、燃料電池の動作状態を示す複数のインジケータ23が設けられている。
載置部16は、本体14の前壁18c下端部から前方へ延出した平坦な上壁26を備えている。上壁26は、底壁18aの前半部分と隙間を置いて対向しているとともに、本体14側から下方に向かって僅かに傾斜して延びている。上壁26は、パーソナルコンピュータ11が載置される載置面26aを構成している。
図1ないし図4に示すように、載置部16内には、後述する発電部の動作を制御する制御部29が設けられている。制御部29は、載置部16内に配設され上壁26とほぼ平行に延びた制御回路基板30を備えている。制御回路基板30上には、複数の半導体素子28、コネクタ32を含む複数の電子部品が実装されている。コネクタ32は、載置部16の中央で本体14に隣接して設けられ、上壁26を貫通し載置面26aから突出している。その他、制御部29は、発電部を駆動する図示しない電源等を備えている。
載置部16内には前後方向に沿って移動可能なロック板34が配設されている。ロック機構を構成するロック板34には、複数、例えば3本のフック38が立設され、それぞれ上壁26を貫通し載置面26aから突出している。更に、載置部16内には、フック38とともにロック板34をロック解除位置へ移動させるイジェクトレバー36が配設されている。載置部16の一側縁部には、イジェクトレバー36を操作するためのイジェクトボタン40が設けられている。載置面26a上には、フック38に隣接して複数の位置決め突起41が形成されている。
図3に示すように、制御回路基板30が収納されている載置部16内部と、発電部が配置されている本体14内部とは、底壁18a上に立設された隔壁42によって仕切られている。但し、隔壁42には、発電部と制御回路基板30とを電気的に接続するための配線を通す図示しない切欠が形成されている。
図2および図3に示すように、パーソナルコンピュータ11の後端部は、位置決め突起41により位置決めされた状態で載置部16の載置面26a上に載置される。パーソナルコンピュータ11は複数のフック38と係合し、載置位置にロックされる。また、パーソナルコンピュータ11の図示しないコネクタが載置部16のコネクタ32と機械的かつ電気的に接続される。これにより、燃料電池10とパーソナルコンピュータ11とが機械的かつ電気的に接続される。
図4ないし図6に示すように、発電部は、本体14内の一側部に設けられた燃料タンク50、本体内の中央部に設けられ化学反応により発電を行う起電部52、本体内の他側部に設けられた混合タンク54を備えている。燃料タンク50には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。この燃料タンク50は本体14に対して脱着自在なカートリッジとして形成されている。なお、本体14の一側部は、燃料タンク50の脱着時に取り外し可能なカバー51として形成されている。燃料タンク50は図示しない燃料供給路を介して混合タンク54に接続され、この燃料供給路には、燃料タンクから混合タンクへ燃料を供給する第1送液ポンプ56が設けられている。図7に示すように、起電部52は複数のセルを積層して構成され、各セルは、アノード(燃料極)58aとカソード(空気極)58bとの間に電解質膜60を挟持して構成されている。起電部52の周囲には、多数の冷却フィン61が設けられている。
図4ないし図6に示すように、本体14の内部には、エアバルブ62を介して起電部52のカソード58bに空気を供給する送気ポンプ64が設けられている。送気ポンプ64は空気供給部を構成している。起電部52と混合タンク54との間には燃料供給管66aおよび燃料回収管66bが接続され、起電部のアノード58aと混合タンク54との間で燃料を循環させるアノード流路を形成している。燃料供給管66aには、混合タンク54から起電部52へ燃料を供給する第2送液ポンプ68が接続されている。燃料回収管66bには、起電部52から排出された燃料と、化学反応により生成された二酸化炭素とを分離する気液分離器65が設けられている。また、燃料供給管66aおよび燃料回収管66bの周囲にはそれぞれ鉛直方向に延びた多数の放熱フィン69が取り付けられ、アノード冷却器70を構成している。なお、本体14の後壁18dに形成された通気孔21は、アノード冷却器70と対向して設けられている。
図3ないし図8、図11に示すように、起電部52には排出管72が接続され、カソード58bから発電により生じた生成物および空気を排出するカソード流路を形成している。カソード流路は、起電部52から延出した第1流路72aと、第1流路から複数に分岐しているとともにそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路72bと、第1流路および各分岐流路の下端に連通し第1流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部72cと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンク54に導く回収流路72dと、分岐流路の上端に連通した第2流路72eを有している。本実施形態において、複数の分岐流路72bはそれぞれ鉛直方向に沿って延びている。
回収流路72dには、貯溜部72c内の水を混合タンク54に供給する回収ポンプ76が設けられている。また、貯溜部72c内には、この貯溜部内に溜まった水の水位を検出する水位検知器77が設けられている。
複数の分岐流路72bを形成している排出管72の周囲にはそれぞれ水平方向に延びた多数の放熱フィン74が取り付けられ、放熱部としてのカソード冷却器75を構成している。図11に示すように、複数の分岐流路72bのそれぞれの内部にはフィン100が設けられている。これらフィン100は分岐流路72bの上端から下端に亘って設けられており、流路72b内部には水蒸気が通る流路が確保されている状態で設けられている。複数の分岐流路72bを含むカソード冷却器75は、アノード冷却器70と隙間を置いて対向配置されている。第2流路72eはほぼ水平に延びているとともに、本体14の通気孔22の近傍で、かつ、通気孔22に向かって開口した排気口78を備えている。第2流路72eにおいて、排気口78の近傍には排気バルブ80が設けられている。なお、第2流路72eには、気液分離器65で分離された二酸化炭素を第2流路72eに導くガス排出管81が設けられている。本体14の前壁18cに形成された通気孔20は、第2放熱部75と対向して設けられている。
本体14内において、アノード冷却器70とカソード冷却器75との間には、遠心ファンからなる冷却ファン82が設けられ、アノード冷却器およびカソード冷却器と対向している。冷却ファン82は、羽根の回転軸がほぼ水平に、かつ、アノード冷却器70およびカソード冷却器75と直交するように配置されている。図8から良く分かるように、冷却ファン82は羽根を覆ったケースを有し、このケースには、アノード冷却器70およびカソード冷却器75にそれぞれ対向した吸気口84、および羽根の回転方向に対して接線方向に向かって開口した2つの排気口86a、86bが形成されている。一方の排気口86aは本体14の通気孔22に向かって開口し、また、他方の排気口86bは起電部52に向かって開口している。
その他、発電部は、混合タンク54内に収容された燃料の濃度を検出する濃度センサ88、この濃度センサを通して混合タンク内の燃料を循環させる濃度検出ポンプ85を備えている。
本体14内に配設され発電部を構成している第1および第2送液ポンプ56、68、送気ポンプ64、回収ポンプ76、濃度検出ポンプ85、エアバルブ63、排気バルブ80、冷却ファン82は制御回路基板30に電気的に接続され、この制御回路基板によって制御される。また、水位検知器77および濃度センサ88は制御回路基板30に接続され、それぞれ検知信号を制御回路基板に出力する。なお、これらの電装部品、センサと制御回路基板30とを接続した図示しない配線は、隔壁42に形成された図示しない切欠きを通して、本体14内から載置部16内へ引き回されている。
上記構成の燃料電池10をパーソナルコンピュータ11の電源として用いる場合、まず、パーソナルコンピュータの後端部を燃料電池の載置部16に載置し、所定位置にロックするとともにコネクタ32を介して電気的に接続する。この状態で燃料電池10の発電を開始する。この場合、第1送液ポンプ56により燃料タンク50から混合タンク54にメタノールが供給され、起電部52から還流する溶媒としての水によって所定の濃度に希釈される。混合タンク54内で希釈されたメタノールは、第2送液ポンプ68により、アノード流路を通して起電部52のアノード58aに供給される。一方、起電部52のカソード58bには送気ポンプ64により空気が供給される。図7で示したように、供給されたメタノールおよび空気は、アノード58aとカソード58bとの間に設けられた電解質膜60で化学反応し、これにより、アノード58aとカソード58bとの間に電力が発生する。起電部52で発生した電力は、制御回路基板30、コネクタ32を介してパーソナルコンピュータ11へ供給される。
発電反応に伴い、起電部52には反応生成物として、アノード58a側に二酸化炭素、カソード58b側に水が生成される。アノード58a側に生じた二酸化炭素およびメタノールは気液分離器65に送られ、ここで気液分離された後、二酸化炭素はガス排出管81を介してカソード流路へ送られる。また、メタノールはアノード流路を介して混合タンク54へ戻される。
図6および図8に示すように、カソード58b側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路に排出される。排出された水および水蒸気は、第1流路72aを通り、水は貯溜部72cに送られる。また、水蒸気および空気は、分岐流路72bを通り第2流路72eまで上方に向かって流れる。このとき水蒸気からの熱を分岐流路72b内に設けられているフィン100により効率的に受熱し、この受熱された熱はカソード冷却器75によって冷却されて、水蒸気は凝縮する。凝縮により生じた水は、重力により分岐流路72b内を下方に流れ、貯溜部72cに回収される。貯溜部72c内に回収された水は、回収ポンプ76により混合タンク54へ送られ、メタノールと混合された後、再び起電部52へ供給される。
第2流路72eに送られた空気および水蒸気の一部は、排気バルブ80を通り、排気口78から本体14内に排気され、更に、本体の通気孔22を通して外部に排気される。なお、起電部52のアノード側から排出された二酸化炭素は、第2流路72eを通り、排気口78から本体14内に排気され、更に、本体の通気孔22を通して外部に排気される。
また、燃料電池10の動作中、冷却ファン782が駆動され、本体14に形成された通気孔20および通気孔21を通して外気が本体14内に導入される。図6および図8に示すように、通気孔20を通して本体14内に導入された外気および本体14内の空気は、カソード冷却器75の周囲を通りこれを冷却した後、冷却ファン82の一方の吸気口84を通してファンケース内に吸気される。通気孔21を通して本体14内に導入された外気および本体14内の空気は、アノード冷却器70の周囲を通ってこれを冷却した後、冷却ファン82の他方の吸気口84を通してファンケース内に吸気される。
ファンケース内に吸気された空気は、排気口86aおよび86bから本体14内に排気される。排気口86aから排気された空気は、本体14内を通り本体の通気孔22から外部に排気される。その際、排気口86aから排気された空気は、カソード流路の排気口78からの排気された空気、水蒸気、二酸化炭素と混ざり合い、一緒に通気孔22から本体外部に排気される。また、排気口86aから排気された空気は、起電部52およびその周囲を冷却した後、本体14の外部に排気される。
混合タンク54内におけるメタノールの濃度は濃度センサ88によって検出される。制御部29は、検出された濃度に応じて回収ポンプ76を作動させ、貯溜部72c内の水を混合タンク54に供給することにより、メタノールの濃度を一定に維持する。また、カソード流路内における水の回収量、つまり、水蒸気の凝縮量は、貯溜部72cに回収された水の水位に応じて、カソード冷却器75の冷却能力を制御することにより調整される。ここでは、水位検知器77により検出された水位に応じて冷却ファン82の駆動電圧を制御することにより、カソード冷却器75の冷却能力を調整し、水の回収量を制御している。図9(a)、図9(b)に示すように、制御部29は、貯溜部72cに回収された水の水位が所定の下限値に達した時点で冷却ファン82の駆動電圧をロウ(例えば、2V)からハイ(例えば、5V)に上げ、冷却ファン82およびカソード冷却器75の冷却能力を上昇させる。また、制御部29は、貯溜部72cに回収された水の水位が所定の上限値に達した時点で冷却ファン82の駆動電圧をハイからロウに下げ、冷却ファン82およびカソード冷却器75の冷却能力を低下させる。これにより、カソード流路内における水の回収量が調整され、貯溜部72c内の水量は所定の範囲内に維持される。
また、制御部29は、貯溜部72cに回収された水の水位に応じて回収ポンプ76のポンプ流量を制御し、貯溜部72c内の水量を所定の範囲内に維持する。すなわち、図9(a)、図9(c)に示すように、制御部29は、貯溜部72c内の水位が所定の下限値に達した時点で回収ポンプ76の駆動電圧をハイ(例えば、5V)からロウ(例えば、2V)に下げ、回収ポンプ76のポンプ流量を低下させる。貯溜部72cに回収された水の水位が所定の上限値に達した時点で、制御部29は回収ポンプ76の駆動電圧をロウからハイに上げ、回収ポンプ76のポンプ流量を上昇させる。これにより、貯溜部72c内の水量は所定の範囲内に維持される。なお、回収ポンプ76のポンプ流量は、回収ポンプの駆動周波数により制御してもよい。
以上のように構成された燃料電池10によれば、カソード流路を複数の分岐流路に分岐し、これらの分岐流路をカソード冷却器によって冷却することにより、起電部52から排出された水を効率良く回収し、発電反応に再利用することができる。そのため、水不足の問題を解消し、所望濃度の燃料を起電部52に供給することができ、その結果、長期間に亘って安定した発電が可能な燃料電池が得られる。また、カソード冷却器75の冷却能力を調整して水の回収量を制御することにより、所望の水量を維持し、安定した発電を行うことができる。
更に、本実施形態によれば、冷却ファン82からの排気は、カソード流路からの排気と混合して本体14の外部に排出される。カソード流路からの排出空気は多少湿気を含んでいるため、本体14の通気孔22周辺に水滴を生じる可能性があるが、上記のように冷却ファン82からの排出空気と混合することにより、湿度を低減し水滴の発生を防止することができる。これにより、水滴により生じる不具合の発生を未然に防止し、信頼性の高い燃料電池が得られる。
なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
前述した実施形態によれば、発電部は、燃料タンク50、起電部52、アノード冷却器70およびカソード冷却器75、混合タンク54を順番に並べて配置した構成としたが、これらの配置は必要に応じて種々変更可能である。例えば、図10に示すように、本体14内において、起電部52、アノード冷却器70およびカソード冷却器75、混合タンク54、燃料タンク50をこの順番で並べて配置した構成としてもよい。この場合、混合タンク54と燃料タンク50とが隣接し、燃料の供給効率を上げることができる。なお、図10に示す燃料電池において、他の構成は前述した実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態において、発電部は燃料タンクおよび混合タンクを備えた構成としたが、混合タンクを省略し、燃料タンクで兼用する構成としてもよい。本願において、燃料タンクは、燃料を収納および供給する容器を示すもので、燃料タンクおよび混合タンクの両方あるいはいずれか一方を含むものとして示している。
この発明に係る燃料電池は、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器の電源としても使用可能である。燃料電池の形式としは、DMFCに限らず、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の他の形式としてもよい。また、冷却ファンは、遠心ファンに限らず、軸流ファンを用いてもよい。
10…燃料電池、 11…パーソナルコンピュータ、 14…本体、
16…載置部、 32…コネクタ、50…燃料タンク、 52…起電部、
54…混合タンク、 70…アノード冷却器、 72…排出管、
72a…第1流路、 72b…分岐流路、 72c…貯溜部、 72d…回収流路、
72e…第2流路、 75…カソード冷却器、 77…水位検知器、
82…冷却ファン、100…フィン
16…載置部、 32…コネクタ、50…燃料タンク、 52…起電部、
54…混合タンク、 70…アノード冷却器、 72…排出管、
72a…第1流路、 72b…分岐流路、 72c…貯溜部、 72d…回収流路、
72e…第2流路、 75…カソード冷却器、 77…水位検知器、
82…冷却ファン、100…フィン
Claims (4)
- 筐体と、
前記筐体内に設けられ化学反応により発電を行う起電部と、
前記筐体内に設けられ、燃料を収納した燃料タンクと、
前記起電部と燃料タンクとの間で燃料を循環させるアノード流路と、
前記起電部に空気を供給する空気供給部と、
前記起電部に接続され前記起電部からの生成物を排出するカソード流路と、
前記カソード流路に設けられた放熱部と、を備え、
前記カソード流路は、前記起電部から延出した第1流路と、第1流路から複数に分岐した複数の分岐流路と、前記第1流路および各分岐流路の下端に連通し前記第1流路から排出された水および前記分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部と、前記貯溜部内に貯溜された水を前記燃料タンクに導く回収流路と、を有し、前記放熱部は前記複数の分岐流路に設けられ、前記各分岐流路内部にはフィンが設けられることを特徴とする燃料電池。 - 前記筐体内に配設され、前記放熱部を通して冷却空気を流す冷却ファンを備えている請求項1に記載の燃料電池。
- 前記分岐路は水平方向に対し傾斜して延びている請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記フィンは前記分岐流路の上端から下端に渡って設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101491372B1 (ko) * | 2013-12-17 | 2015-02-06 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 |
-
2005
- 2005-01-28 JP JP2005020577A patent/JP2006210136A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101491372B1 (ko) * | 2013-12-17 | 2015-02-06 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 |
US9525182B2 (en) | 2013-12-17 | 2016-12-20 | Hyundai Motor Company | Fuel cell separator and fuel cell stack including the same |
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