CN1430798A - 固体高分子型燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种固体高分子型燃料电池，其结构为，它具有收集用于冷却固体高分子型燃料电池(6)的处理水的水槽(21)，将该处理水供应给前述燃料电池(6)的冷却水供应机构，将反应空气供应给前述燃料电池(6)的反应空气供应机构以及电极反应用的燃料气体供应机构，前述反应空气供应机构通过把反应空气通入到前述水槽(21)中而将水分添加到气体中。
Description
技术领域
本发明涉及将供应给固体高分子型燃料电池的空气极的反应空气(空气)加湿的固体高分子燃料电池。
近年来，人们开发了使燃料进行电化学反应，利用在进行这种电化学反应时产生的电子流直接提取电能的燃料电池发电系统。燃料电池发电系统将天然气，城市煤气，甲醇，丙烷气等燃料(下面称之为燃料气体)所具有的化学能量变换成电能，它由以下部分构成：燃料电池主体，由燃料生成氢的装置，把由燃料电池主体发出的直流输出变换成交流的装置，将反应空气的温度保持在适合于燃料电池主体的工作及产生氢的温度用的热交换器等。
在这种燃料电池发电系统中，天然气，城市煤气，甲醇等燃料气体，利用填充到改质器内的改质触媒的作用进行水蒸汽的改质(化学反应)，生成以氢为主要成分的改质气体。这种改质气体被供应给CO变换器，含在这种改质气体中的一氧化碳气被变换成二氧化碳气，在CO去除器内将残留的一氧化碳降低到规定的浓度值以下。这样获得的氢在燃料电池主体内与空气中的氧发生电化学反应，进行发电。作为利用这种燃料电池发电系统的燃料电池，提出了固体高分子型燃料电池的方案。
固体高分子型燃料电池的燃料电池主体由向其上供应改质气体的燃料极，向其上供应反应空气(空气)的空气极，以及夹持在燃料极与空气极之间的电解质膜(离子交换膜)构成。在这样构成的固体高分子型燃料电池的燃料极侧，在离子化的氢在离子电解质膜(离子交换膜)上移动时，数量不多的水分子也由于电渗透效应通过离子交换膜，从而膜的燃料极侧常常是干燥的。为了防止这一问题，使改质(氢)气体中含有水分供应给电极，使离子交换膜润湿。
此外，在膜的空气极侧，除因为电渗透渗出水之外，通过膜的氢离子与氧发生反应生成水，所生成的水将电极润湿，妨碍氧的扩散，往往使电性能降低。这种水分可以利用供应给空气极的电极反应用气体(下面称之为反应空气)除去，但由于大量的空气流会增加水的蒸发量，使离子交换膜干燥，为了防止这一问题，在燃料电池上特别设置专用的加湿器，向上述空气中添加水分，供应给空气极，以防止离子交换膜干燥。
这样，在固体高分子型燃料电池中，有必要对所使用的改质气体、反应空气(空气)的水分进行控制。在现有技术中，存在着以下问题，即，这种电极反应用的气体的供应，需要具有将水用加热器加热、制造水蒸汽等机构专用的外部加湿器以及相当量的加湿用的处理水，同时还需要回收加湿器用的水用的热交换器及逐渐将处理水补充给加湿器的专用的补充水的装置。
从而，本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，其目的是提供一种既可原封不动地使用燃料电池所具有的已有设备，又可以用简单的机构向给予电极所使用的反应用气体以水分，供应给电极的固体高分子型燃料电池。
发明概述
本发明的固体高分子型燃料电池具有：利用改质气体中的氢与反应空气中的氧的电化学反应进行发电的燃料电池主体，将反应空气供应给该燃料电池主体的反应空气供应部，向前述燃料电池主体供应改质气体的改质气体供应部，以及将前述处理水供应给前述改质气体供应部和前述燃料电池主体中至少其中之一的处理水供应部，所述固体高分子型燃料电池的特征为，在前述处理水供应部用处理水把从前述反应空气供应部供应的反应空气加湿后，将加湿的空气供应给前述燃料电池主体。
此外，本发明的特征为，它进一步具有使从前述处理水供应机构来的处理水在前述燃料电池主体内循环，对前述燃料电池主体进行冷却的冷却部。
此外，本发明的特征为，前述处理水供应部配备有贮存水用的水箱，以及为了总是在该水箱的内部形成气相部分将处理水的水位保持在规定的范围内的液面控制部，从前述反应空气供应部来的反应空气通过前述水箱的内部被加湿，供应给前述燃料电池主体。
此外，本发明的特征为，前述液面控制部由检测处理水的水位的水位计以及控制从处理水源向前述处理水箱内进行处理水的供应的电动阀构成。
此外，本发明的特征为，前述处理水供应部配备有贮存处理水的处理水箱，把该处理水箱内的处理水的温度保持在规定的范围内的温度调节机构，在从前述反应空气供应部来的反应空气通过前述水箱内部被加湿时，通过设定温度调节加湿的程度。
此外，本发明的特征为，利用前述温度调节机构所调节的处理水的规定温度范围的上限值根据前述燃料电池的工作温度变化。
此外，本发明的特征为，利用前述温度控制机构调节处理水的规定的温度范围为60℃至80℃。
此外本发明的特征为，前述温度调节机构具有电加热器。
此外，本发明的特征为，它进一步具有将从前述处理水供应部来的处理水变成水蒸汽、把该水蒸汽添加到供应给前述改质气体供应机构的原始燃料中的水蒸汽供应部，该水蒸汽供应部调节水的添加量，将所添加的水的量与原始燃料气体的量之比(S/C之比)调节到3至4。
此外，本发明的特征为，前述改质气体供应部具有降低改质气体中的一氧化碳浓度的CO去除器，从该CO去除器出来的改质气体不除去水分，供应给前述燃料电池主体。
此外，本发明的特征为，它进一步具有对自来水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水，将所生成的处理水供应给前述处理水供应部的水处理机构。
此外，本发明的特征为，它进一步具有供应从前述燃料电池主体排出的高温气体、把由改质气体中的氢与反应空气中的氧的电化学反应在前述燃料电池主体内产生的热量回收的废热回收部。
此外，本发明的特征为，前述废热回收部，由通过使水在内部循环、与从前述燃料电池主体排出的高温气体进行热交换的热交换器以及贮存从该热交换器来的热水的同时向前述热交换器供应水的热水贮存槽构成。
此外，本发明的特征为，它进一步具有设置在前述处理水供应部上，一面以前述处理水供应部的处理水及前述热水贮存槽来的水不相混合的方式循环，一面在前述处理水与前述水之间进行热交换的热交换器。
此外，本发明的特征为，前述废热回收部由使从前述处理水供应部来的处理水在内部循环，在从前述燃料电池主体排出的高温气体与前述处理水之间进行热交换而进行热回收的热交换器构成。
此外，本发明的特征为，在前述燃料电池主体上设置通过冷却冷媒在内部循环与前述燃料电池主体之间进行热交换冷却前述燃料电池主体的冷却部，一面以从前述处理水供应机构来的处理水与前述冷却部来的前述冷却冷媒不相互混合的方式循环，一面进行前述处理水与前述冷却冷媒的热交换，将前述燃料电池主体产生的热回收到前述处理水供应部。
此外，本发明的特征为，它进一步具有把在前述燃料电池主体产生的水回收的水回收部。
此外，本发明的特征为，前述水回收部由使从前述燃料电池主体排出的气体及在内部循环的水之间进行热交换，将水液化、回收的热交换器，以及临时贮存由该热交换器回收的水及自来水的水补充部构成。
此外，本发明的特征为，前述水补充部根据水位将贮存水供应给前述处理水供应部。
此外，本发明的特征为，前述水补充部设有检测水位的水位计，根据该水位计的检测结果控制向前述水补充部的自来水的供应及向前述处理水供应部的贮存水的供应。
此外，本发明的特征为，它进一步具有前述水补充部的前级或前述水补充部与前述处理水供应部之间对自来水进行规定处理生成具有低电导率的处理水，将生成的处理水供应给前述水补充部或前述处理水供应部的水处理部。
此外，本发明的特征为，在前述燃料电池主体上设置通过冷却冷媒在内部循环与前述燃料电池主体之间进行热交换冷却前述燃料电池主体的冷却部，一面以从前述处理水供应机构来的处理水与前述冷却部来的前述冷却冷媒不相互混合的方式循环，一面进行前述处理水与前述冷却冷媒的热交换，将前述燃料电池主体产生的热回收到前述处理水供应部。
此外，本发明的特征为，在前述水补充部与前述处理水供应部之间设置：将前述水补充部的贮存水直接供应给前述处理水供应部的第一处理水供应通路，中间经由通过对前述水补充部的贮存水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水的水处理装置供应给前述处理水供应部的第二处理水供应部，检测前述水补充部的贮存水的水质的水质检测部，根据该水质检测部的检测结果选择前述第一处理水供应通路和前述第二处理水供应通路中的一个路径把处理水供应给前述处理水供应部的处理水路径切换部。
此外，本发明的特征为，前述水质检测部由水的电导率计或水质传感器构成。
此外，本发明的特征为，在前述水补充部与前述处理水供应部之间设置将前述水补充部的贮存水直接供应给前述处理水供应部的第一处理水供应通路，中间经由通过对前述水补充部的贮存水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水的水处理装置供应给前述处理水供应部的第二处理水供应部，以及以规定的时间周期选择前述第一处理水供应通路和前述第二处理水供应通路中的一个路径将处理水供应给前述处理水供应部的处理水路径切换部。
此外，本发明的特征为，前述水处理部进一步配备有利用从备有所述燃料电池的发电系统产生的热将前述处理水供应部供应的处理水加热的机构。
此外，本发明的特征为，前述机构备有通过利用从前述发电系统产生的热的热交换进行前述处理水供应部的处理水的温度调节的热交换器。
此外，本发明的特征为，它进一步具有设置在前述处理水供应部上、使该处理水供应部内的处理水循环的热交换器，通过在该热交换器内的热交换调节前述处理水供应部内的处理水的温度。
此外，本发明在用于具有通过使改质气体中的氢与反应空气中的氧进行电化学反应进行发电的燃料电池主体，将反应空气供应给前述燃料电池主体的反应空气供应部，把改质气体气体供应给前述燃料电池主体的改质气体供应部以及向所述改质气体供应部和前述燃料电池主体中至少其中之一供应处理水的处理水供应部的固体高分子燃料电池的加湿方法中，其特征为，使从前述反应空气供应部供应的反应空气通过前述处理水供应部内贮存的处理水进行加湿，然后将加湿的反应空气供应给前述燃料电池主体。
此外，本发明的特征为，利用所述燃料电池及备有燃料电池主体的发电系统的冷却水加湿固体高分子型燃料电池的空气极中使用的反应空气，并将其供应给空气极。
此外，本发明的特征为，用在该燃料电池内循环的冷却水加湿固体高分子型燃料电池使用的反应空气，并将其供应给前述固体高分子型燃料电池的空气极。
在本发明中，由于利用燃料电池及备有该燃料电池的发电系统使用的冷却水和蓄积电导率低的处理水的水槽内的水向燃料电池中使用的反应空气提供水分，将这种气体供应给电极，所以无需用于加湿反应空气的专用的外部加湿器及控制外部加湿器的特殊装置，可以简单地向反应空气中添加水分将其供应给燃料电池。
此外，在本发明中，具有向用于固体高分子型燃料电池的电极反应等的气体等补充水分用的处理水槽，暂时贮存由该燃料电池生成的水并供应给前述处理水槽的供应槽，以及把处理水供应给处理水槽或供应水槽的处理水补充装置，在燃料电池及备有该燃料电池的发电系统中生成的水暂时贮存在供应槽内，可以从该供应槽把水供应给处理水槽，同时，在这种水供应机构中，利用处理水补充装置逐渐地补充不足的水量，借此，进行必要的处理水的供应，并减少水处理装置的使用时间等，可简化固体高分子型燃料电池的维护保养。
附图的简单说明
图1、是表示根据本发明的备有固体高分子型燃料电池的发电系统的第一种实施形式的系统图；
图2、是表示根据本发明的备有固体高分子型燃料电池的发电系统的第二种实施形式的系统图；
图3、是表示根据本发明的备有固体高分子型燃料电池的发电系统的第三种实施形式的系统图；
图4、是表示根据本发明的备有固体高分子型燃料电池的发电系统的第四种实施形式的系统图；
图5、是表示根据本发明的备有固体高分子型燃料电池的发电系统的第五种实施形式的系统图；
图6、是表示根据本发明的第三种实施形式的固体高分子型燃料电池的处理水的回收与补充装置的主要部分的结构的系统图。
实施发明的最佳形式
下面，为了更详细地描述本发明，根据附图对其进行说明。在本实施形式中，以把固体高分子型燃料电池(在下面的说明中指的是含有氢生成系统，电化学反应系统(燃料电池主体)，冷却系统等的燃料电池)用于家庭的小型电源用的发电系统GS等的例子为中心进行说明。此外，在本发明中，作为供应给燃料电池主体的电极反应用气体，对使用含有氢的改质气体和含有氧的空气的例子进行说明，为了方便起见，将供应给电极的空气特称之为反应空气，把供应反应空气的电极称之为空气极。此外，在本发明中，电极反应用气体并不一定局限于上述气体。
下面基于图1说明本发明的固体高分子型燃料电池的第一种实施形式。
如图1所示，采用本实施形式的燃料电池的发电系统GS，例如，除燃料电池外，还配备有热回收装置RD。这种热回收装置RD和燃料电池，用备有热水贮存槽50及使用离子交换树脂等的水处理装置51的水及热媒的循环回路等进行连接。
自来水被供应给水处理装置51。为了使这种自来水在水处理装置51中对燃料电池的绝缘不产生影响，例如，将其改质成处理成电导率低的水(在本发明中将其称之为处理水)，通过处理水管152供应给后面描述的水槽21。
本实施形式的燃料电池具有：由脱硫器2、改质器3、CO变换器4、CO去除器5构成的电极反应用改质气体(以下称之为改质气体)供应装置，配备有燃料极、空气极及被夹持在它们之间的离子交换膜的燃料电池主体6，由空气泵11、水槽2 等构成的反应空气(空气)供应装置，以及由水槽21、泵48、冷却部6c等构成的燃料电池冷却装置。
由燃料电池发出的电用DC/DC变换器(图省略)升压，通过配电系统的换流器(图未示出)连接到商用电源上，另一方面，从这里向家庭及办事处等的照明及空调机及其它电气设备进行供电。
在利用这种燃料电池的发电系统GS中，例如，利用由燃料电池发电时产生的热量从自来水中回收热水，将这种热水蓄积在热水贮存槽50内，供应给浴池及厨房等，对用于燃料电池的燃料所具有的能量有效地加以利用。
在上述燃料电池的改质气体供应装置中，将天然气，城市煤气，甲醇，LPG，丁烷等原始燃料气体经由燃料管1供应给脱硫器2，这里，从原始燃料气体除去硫磺成分。经过该脱硫器2的原始燃料气体用升压泵10升压供应给改质器3时，与从水槽21来的经过水泵22在热交换器17中被加热的水蒸汽汇流，供应给改质器3。
在该改质器3中，生成含有氢，二氧化碳及一氧化碳的改质气体。经过这种改质器3的气体被供应给CO转换器4，在这里变成会在改质气体中的一氧化碳及二氧化碳。经过这种CO转换器4的气体被供应给CO去除器5，在这里将经过CO转换器4的气体的未转换的一氧化碳氧化成二氧化碳。经过CO去除器5，一氧化碳的浓度被降低到10ppm以下的氢浓度高的气体(改质气体)被供应给固体高分子型燃料电池主体6的燃料极。
在这样构成的燃料电池中，通过这种高浓度的改质气体中的氢与经由空气泵11、水槽21等供应给空气极6k的空气中的氧进行电化学反应而进行发电，产生电化学反应热。燃料电池的冷却装置，为了不使因这种反应热等造成燃料电池主体6过热，将燃料电池6的燃料极6a、空气极6k并列设置，将水槽21的处理水作为冷却水利用泵48使之在冷却部6c内循环，利用该冷却水控制燃料电池主体6内的温度，将其保持在适合于发电的温度。
在改质器3内的化学反应是吸热反应，必须总是利用燃烧器12一面加热一面进行化学反应。作为这种加热机构备有燃烧器12、经由燃料管13将原始燃料气体供应给燃烧器12，进而经由风扇14向其供应燃烧空气，此外，经由管15向其供应从燃料极6a排出的未反应的氢气(废气)。此外，在图1中，供应给燃烧器12的原始燃料是从燃料管1直接供应的，但也可以经由脱硫器2供应给燃烧器12。
在系统GS起动时，在经由燃料管13向燃烧器12供应燃料气体的同时，经由风扇14向其供应的燃烧空气进行燃烧。在起动后，当燃料电池主体6的动作稳定时，切断从燃料管13进行的燃料气体的供应，经由管15将废气作为燃料气体供应给燃烧器12。
另一方面，在CO转换器4及CO去除器5中进行的化学反应是产热反应，例如，在CO去除器5中，只有在系统起动时使燃烧器(图中未示出)燃烧，使之产生燃烧气体，利用这时产生的燃烧气体的热量将CO去除器5的温度升温到反应温度。然后，利用自身的发热反应的热量保持反应温度。根据需要从外部进行冷却控制使CO转换器4及CO去除器5不会升温到反应温度以上。一旦升温到反应温度之后，进行冷却控制使之不会因发热反应的热量升温到反应温度以上。
这样，在改质器3，CO转换器4、CO去除器5及燃料电池主体6中维持在进行规定的化学反应及持续发电的反应温度。
在反应空气供应装置中，利用泵11送到水槽21中的反应空气在被供应给燃料电池主体6的空气极6k之前，在水槽21中被加湿。29是这种反应空气供应给空气极6k时的辅助泵。此外，也可以省略辅助泵29。
反应空气的加湿，如后面所述，通过形成气相部53、且将从空气泵11来的空气供应给把水温保持在设定范围内的水槽21内的水中，在水中一面起泡一面送出到气相部53来进行。这样，在赋予适合于维持燃料电池主体中的反应的水分之后的反应空气从水槽21中供应给燃料电池6的空气极6k。
此外，通过调节从水槽21来的经由泵22及热交换器17供应给改质器3的处理水的量来调整向根据本发明的燃料电池6的燃料电极6a供应的改质气体中所进行的水分的添加。由于供应给热交换器17的处理水变成水蒸汽，，所以，例如，供应给改质器3的水蒸汽的量与原始燃料气体的量之比(S/C比)高于现有技术的S/C的比值2至3，例如将该比值S/C设定为3至4，在增大从改质器3中出来的改质气体中所含的水分量的同时，为了不使已除去CO的高浓度氢气中失去水分，不从由CO去除器5中出来的改质气体中除去水分，直接供应给燃料电池6(即当S/C之比高)时，即使不特别附加设置对反应燃料气体加湿用的独立的加湿装置，也可以给予供应给燃料电池主体的燃料极6a的改质气体以适量的水分。
另外，如在CO去除器5与燃料电池主体6之间的管路短的结构的电池中那样，改质气体的温度几乎和从CO去除器5中出来的气体的温度一样保持高温状态，流入燃料电池主体6内，因此，存在着燃料电池主体6温度过高、发电能力下降或者损伤电池的电极部等危险，这时，优选地，在CO去除器5与燃料电池主体6之间的管路70上设置热交换器(图中未示出)，使水槽21中的水流过该热交换器等，与改质气体进行热交换，调节改质气体的温度。
利用这种热交换器，例如把流入燃料电池主体6内的改质气体的温度保持在80℃以下的话，以改质气体的湿度基本上保持在该温度下的饱和水蒸汽压的状态供应给燃料电池主体6，对于很多种结构的燃料电池，可以实现不存在因热造成的不良影响，向改质气体提供水分(湿度调节)。
不仅在燃料电池主体6内循环的冷却水经过水管流入水槽21，而且，如后面所述，从燃料电池主体6的燃料极6a、空气极6k排出的水等也贮存在该水槽21内，用这种水对供应给燃料电池主体6的反应用气体加湿供应给空气极6k，或者使之在冷却部6c内循环，冷却燃料电池主体6。
此外，这样返回到水槽21内的水并不局限于从燃料电池主体6来的水，只要是基本上接近于从配备有这种燃料电池的发电系统产生的处理水的水，将可以再次返回水槽21作为反应空气的加湿用水进行再利用，供应给空气极。
因此，在水槽21内，具有为了在槽内的上部总是形成空气部分(气相部)53而保持处理水的水位的液面控制装置LC以及把水槽21内的水温保持在设定范围内的温度调节机构TC。
液面控制装置LC备有水位计54和电动阀56的控制装置，如上面所述，它一面监测水槽21内的水量，一面为了当反应空气通过水槽21内时被适当地加湿以使之供应给燃料电池主体6，在水槽21内蓄积处理水，并且，在水槽的上部形成气相部53控制处理水量。这种液面控制装置LC与后面所述的温度调节机构TC一起通过对使水在燃料电池及使用燃料电池的发电装置GS的热交换器中循环的泵进行控制而保持设定的水位，当利用这种控制不能维持水箱内的设定水位时，调节电动阀56的开度，引入以经过水管52从自来水管等供应的自来水为基础、用处理装置51的离子交换装置加工的处理水，将水槽21内的水位保持在设定的范围内。
此外，55是消波板，用于防止由于从泵11供应给水槽21的空气放出到水中等造成的水面的紊乱而造成的安装在水槽21内的水位计54对水位检测的不稳定。
温度调节机构TC是一种在把反应空气供应给燃料电池主体6的空气极6k时，为了通过把该反应空气通到水槽21中、利用水槽21适当地进行加湿，以其上限值随着燃料电池的工作温度而变化地调节水槽21内的处理水的温度的装置。例如，把处理水保持在60℃至80℃的温度范围(设定温度)内。这种水温控制根据需要对装配在水槽21内的电加热器等的加热装置63进行控制。利用温度调节装置TC进行的水温控制，当需要对反应空气中加入较多的水分时，将设定温度提高，当电池工作需要的水分量少时，将水温设定成低温，以将适合于燃料电池的电极结构及电池结构的水分添加到反应空气中的方式控制处理水的温度。
在改质器3与CO转换器4之间，CO转换器4与CO去除器5之间分别连接热交换器18，19，通过经由泵23，24使水槽21的处理水在各个热交换器18，19内循环，利用这些水分别冷却经过改质器3、CO转换器4的气体。
在改质器3的排气系统31上，连接热交换器17，利用该热交换器17将从水槽21供应的水变成水蒸汽，该水蒸汽与通过泵10的原始燃料气体混合并供应给改质器3。另一方面，在该排气系统31上，除热交换器17之外，还连接有另一个热交换器32，上述热水贮存槽50的水经由泵33在该热交换器32内循环，进行废热的回收。
34是生产过程气体(PG)燃烧器。在备有本燃料电池的发电系统GS起动时，在经过改质器3，CO转换器4，CO去除器5获得的改质气体的组分达到作为适合于燃料电池主体6的运转的稳定组分状态的气体可以供应给燃料电池主体6之前的期间内，利用这种PG燃烧器34将该气体燃料燃烧，在各反应器的工作稳定后，导入燃料电池主体6进行发电。在燃料电池主体6中不能用于进行发电的废气最初导入PG燃烧器34使之燃烧，在燃料电池主体6的温度稳定后，从燃料电池电池主体6来的废气通过管15被导入到改质器3的燃烧器12内使之燃烧。
这里，对PG燃烧器34的控制系统进行说明。
在发电系统起动之后，直到各反应器的温度稳定之前，开关阀91关闭，开关阀36打开。借此，改质气体通过管路35及开关阀36供应给PG燃烧器34。在各反应器的温度稳定时，直到燃料电池主体6的温度稳定之前，开关阀91，39打开，开关阀36，92关闭，改质气体通过管路38及开关阀39供应给PG燃烧器34，在该处被燃烧。具体地说，在燃料电池主体6的温度达到规定的温度(例如60℃)以上，在改质气体3，CO转换器4，CO去除器5等温度稳定的情况下，直到燃料电池主体6的温度稳定在工作温度(例如70℃～80℃)附近的温度区域之前，开关阀91，39打开，开关阀36，92关闭，燃料气体通过管路38及开关阀39被供应给PG燃烧器34，在该燃烧器处被燃烧。
在燃料电池主体6的温度稳定在工作温度、进行连续发电的状态时，开关阀91，92打开，开关阀36，39关闭，燃料电池主体6进行发电。在燃料电池主体6处未反应的废气经由管道15被供应给燃烧器12，在该处被燃烧。
在PG燃烧器34的排气系统45上连接热交换器46，中间经由泵47使热水贮存槽50的水在该热交换器46中循环进行热回收。
经由自来水管61向热水贮存槽50供应自来水。供应给该热水贮存槽50的自来水，回收燃料电池发电系统(利用固体高分子型燃料电池的发电系统)GS的废热，升温到规定的温度，这种被升温的热水通过热水供应管62向外部供应热水。
图2是表示利用根据本发明的固体高分子型燃料电池的发电系统的第二种实施形式的图示。
本实施形式与图1所述的第一种实施形式的不同之处在于，它具有由从燃料电池主体6的空气极6k排出的从反应空气中回收热的装置(热交换器27)以及可以在水槽21及热水贮存槽50之间相互传递热量的热交换器41。其它结构与图1相同，对于这些结构赋予相同的图号及标号，省略对它们的说明。
根据图2所示的实施形式的废热回收，具有热交换器18，19，27，32，41，46及泵23，24，28，33，42，43，47等，通过经由这些泵将水槽21的处理水及热水贮存槽50内的热水在上述热交换器内循环进行热回收。
27是设置在燃料电池主体6的反应空气排气系统26上的废热回收用热交换器。利用泵28将从热水贮存槽50来的自来水在该热交换器27内循环，回收从空气极6k排出的70℃至80℃的气体的热量，在将该热量贮存在热水贮存槽50内的同时，冷却从燃料电池主体6排出的气体。
41是设置在水槽21上的热交换器，利用泵42使水槽21的处理水在该热交换器中循环，另一方面，利用泵43以不与该处理水混合的方式使从热水贮存槽50来的自来水循环，热水贮存槽的自来水经由热交换器41可以与水槽21的处理水进行适当的热传递。经过利用该热交换器41的热交换，可以调节水槽21的处理水的温度。在这种情况下，也可以省略图1所示的温度调节机构TC。
在图2的实施形式中，为了将供应给电极的反应空气加湿，也使用水槽21，所以为了适当的维持对通过水槽21供应给空气极6k的空气加湿，优先地将水槽内的水温保持在设定温度的范围内，当水槽21内的温度过高时，驱动泵42，以可以将热量移动到热水贮存槽50内的方式，控制泵42及泵43等。
图3是表示根据本发明的固体高分子型燃料电池的发电系统的第三种实施形式的图示。
在图3所示的实施形式中，与图1所示的实施形式的不同之处在于，它配备有回收从燃料电池主体6的空气极6k排出的气体的热量的热回收装置，可以使用冷媒及有机溶媒等冷却媒体对燃料电池主体6进行冷却。其它结构与图1所示的结构系统，对这些系统的部分赋予相同的图号和标记，省略其说明。
根据实施形式3的热回收装置，具有热交换器18，19，32，46，58，64及泵23，24，33，47，59，66等，经由这些泵使水槽21的处理水及热水贮存槽50内的热水在热交换器中循环，进行热回收。
58是设置在燃料电池主体6的冷却部6c上的热交换器，利用泵57例如使乙二醇等有机冷却媒体在该热交换器58内循环，并通过冷却部6c循环，冷却燃料电池主体的内部。此外，以不与该有机冷媒混合的方式利用泵59使水槽21的处理水在热交换器58内循环，将燃料电池的冷却部6c的热量回收到水槽21内。
通过用这种有机冷却媒体对燃料电池进行冷却，可以高效率地冷却电池的电极，将电池的工作温度保持发电效率高的状态，并且，利用温度调节装置TC进行控制以便把用于对供应给电极的气体(空气)加湿用的水槽21的水的温度保持在设定温度范围内。
64是从由燃料电池主体6的空气极6k排出的废气回收热量用的热交换器，利用泵66使从水槽21来的处理水经过管65在该热交换器64内循环，将该废气中的热回收到水槽21中。
图4是表示利用本发明的固体高分子型燃料电池的发电系统的第四种实施形式。在图4的实施形式中，对和图1所示的第一种实施形式系统的部分赋予系统的参考标号。并且，为了避免对相同的部分重复说明，只说明不同的部分。
在下面说明的本发明实施形式中，其特征为，在上述第一至第三种实施形式的固体高分子燃料电池中，进一步配备有利用在燃料电池主体的燃料极及空气极产生的水的结构。
在图4所示的第四种实施形式的燃料电池中，利用泵23，24，48经由热交换器18，19返回的水及在燃料电池主体的冷却部6c循环的冷却水经由水管73流入处理水槽21，另一方面，在处理水槽21上连接有供水用的处理水补充装置68。处理水补充装置68由电动阀56和供应槽67及泵47等构成。
供应槽67可以是将从自来水补充装置69及燃料电池主体6生成的水暂时贮存并供应给处理水槽21的槽。
燃料电池主体6产生的水中，包括，例如，将从燃料电池主体6的空气极6k排出的含有水蒸汽的气体导入到热交换器71内、利用由泵72在该热交换器中与热水贮存槽50之间循环的水冷却而获得的废水以及从包含在从燃料极6a排出的气体内的水分中回收的水。
回收到水供应槽67中的水，并不一定局限于从燃料电池主体6产生的水，也可以是由备有这种燃料电池的发电系统GS产生的废水，所有这些水均暂时加入供应槽67内，供应给处理水槽21。
自来水补充装置69经由具有电动阀76的自来水管道52连接到水源(自来水)78上，当水位计79检测到从供应槽67供应给处理水槽21的水量比从上述燃料电池主体6等流入供应槽67内的水量多等、供应槽67的水量减少，水位降低时，液面控制装置77打开电动阀76，利用水源78的水压经过自来水管52、水处理装置51向供应水槽67补充自来水，该自来水补充装置向处理水槽21供应水，毫无障碍地保持水量。
在本实施形式中，液面控制装置LC备有水位计54和电动阀56的控制装置，一面监测水槽21内的水量，在反应空气通过水槽21内部时，为了将所述空气适当加湿供应给燃料电池6，将处理水蓄积在槽21内，并且控制水量以便在槽的上部形成气相53，在不能维持水槽21内的设定水位时，泵74开始运转，调节电动阀56的开度，从供应槽67导入处理水，把水槽21内的水位保持在设定范围内。
图5是表示利用根据本发明的固体高分子型燃料电池的发电系统的第五种实施形式。
在图5的实施形式中，与图4所示的实施形式的不同之处在于，可以使用冷媒及有机溶媒等冷却媒体进行燃料电池主体6的冷却以及在供应槽67与处理水槽21之间配置水处理装置51。其它结构与图1所示的结构相同，对于相同的部分赋予相同的图号及标记，省略其说明。
在根据图5的实施形式的具有处理水补充装置68的固体高分子型燃料电池6中，58是设置在燃料电池主体6的冷却部6c上的热交换器，例如乙二醇等有机冷却媒体通过泵57在该热交换器58中循环并且经过冷却部6c循环，冷却燃料电池的内部。
此外，以不与所述有机冷却媒体混合的方式，利用泵59使处理水槽21的处理水在热交换器58内循环，将燃料电池的冷却部6c的热量回收到处理水槽21内。
通过利用这种有机冷却媒体对燃料电池进行冷却，可以高效率地冷却电池的电极，把电池的工作温度保持在发电效率良好的状态。
71是从燃料电池主体的空气极6k排出的气体回收热量和水用的热交换器。利用泵72使热水贮存槽50的水在热交换器71内循环，将由循环水获得的热量贮存在热水贮存槽50内，另一方面，从被回收冷却的废气中冷凝出来的废水经由管道170被回收到供应槽67内。
在图5所示的实施形式的处理水补充装置68中，水处理装置51配置在供应槽67与处理水槽21之间，特别是配置在泵74与电动阀56之间，所以，当由水位计54检测出处理水槽21内的水量不足、液面控制装置LC打开电动阀56，泵74开始驱动时，从供应槽67补充的水全部用水处理装置51改善水质，然后供应给处理水槽21。
在用于图5的实施形式的电池的处理水补充装置68中，在具有不会因燃料电池的工作损失大量的水分，从电池中充分回收水分，并且，所回收的水几乎不被污染的结构的燃料电池的前提下，供应给处理水槽21的补充水全部通过水处理装置51，构成结构最简单的进行水的回收和补充的处理水补充装置。
此外，当伴随着燃料电池6的工作，从燃料电池系统或发电系统来的水及回收的废水的量减少时，和图4的实施形式一样，供应槽67的液面控制装置77控制电动阀76从水源78向供应槽67补充自来水，将它和废水一起供应给处理水槽21而补充电池系统等的水的不足。
图6是利用根据本发明的固体高分子型燃料电池的发电系统的第六种实施形式的水回收及供应的主要部分的图示。
在图6所示的实施形式中，与图4及图5所示的实施形式不同之处在于，它设置经由管170暂时贮存燃料电池等生成的水的供应槽，只有当从该供应槽67供应给处理水槽21的水的水质降低时，才使水通过水处理装置51。其它结构与图4及图5的结构相同，对于这些相同的部分赋予相同的图号及标记，省略对它们的说明。
在具有根据图6的实施形式的处理水补充装置68的固体高分子型燃料电池中，80是安装在供应槽的水出口管81上的水质传感器，82是将电动阀56旁路设置的控制使水通向水处理装置82侧的电动阀，83是防止水从处理水槽21侧的给水管84向水处理装置51侧倒流用的止回阀，处理水槽21的液面控制装置LC接收从水位计54及水质传感器80来的信号对泵74，电动阀56、82的工作进行控制，以便从供应水槽67供应燃料电池等所需量的水。
在图6的实施形式中，当从供应槽67补充给处理水槽21的水的水质是不会对燃料电池的工作等造成障碍的水质时，液面控制装置LC接收从水位计54来的信号使泵74及电动阀56工作，将水处理装置51旁路，从供应槽67向槽21供应所需量的水。
反之，当所补充的水的水质成为有可能影响燃料电池的工作等的水质时，液面控制装置LC控制各设备，接收从水位计54的信号使泵74及电动阀82工作(电动阀56关闭)，在用水处理装置51进行水处理之后，向处理水槽21供应所需量的水。
这种水质的判断可以利用水的电导率计(图中未示出)及水质传感器80对每次从供应槽67供应的水进行测定，但为了简化设备的结构，也可以不用电导率计等传感器，根据燃料电池6的工作时间及其它控制数据确定一个预先假定的进行水质改善处理所必需的时间周期，对于每个时间周期确定工作时间，打开电动阀82，将水通入到水处理装置51中。
在这种实施形式的固体高分子型燃料电池中，由电池产生的废水等，在可以原封不动地对空气进行加湿作为燃料气体的改质及作为电池冷却用再次进行供应的可以原封不动地使用的水质的前提下从供应槽67供应给处理水槽21，在几次这种供应循环的过程中需要进行水处理时，将水通向水处理装置51，然后供应给处理水槽21。
从而，极大地减少用于固体高分子型燃料电池的水处理装置的使用频度及向离子交换树脂中通水的时间，延长其寿命，可以减少替换离子交换树脂等的时间并减少固体高分子型燃料电池的维修时间。
这样，在根据本发明的固体高分子型燃料电池中，在蓄积用于燃料电池及配备有这种燃料电池的发电系统等的冷却的冷却水的水槽上附加温度调节装置及液面控制装置，通过向这种水槽内通以反应空气，即使不另外设置对反应空气加湿用的独立的专用加湿器，也可以向反应空气加入水分供应给燃料电池的电极。
并且，在本发明中，气体加湿用的处理水的补充控制及处理水的回收装置，可以几乎原封不动地使用现有技术中具有这种水槽装置的冷却及热回收用的水循环装置及水回收装置，与制作水蒸汽用的气、水分离装置不同，可以提供一种配备有可以简单地进行反应空气加湿的加湿装置的固体高分子型燃料电池。
此外，由于在具有上述结构的固体高分子型燃料电池及备有该电池的发电系统中可以很容易采用进行发电和利用热的共同发电系统的形式，所以，不仅可以提高单独发电的效率，而且由于可以充分灵活运用供应给该系统的燃料的能量，获得很高的综合热效率，所以可减少原始燃料的消耗量，降低二氧化碳的排放量。
特别是，像热水贮存槽这种具有蓄热功能的槽以可以适当地相互传递各槽的热的方式构成时，可以构成利用备有燃料电池的发电系统产生的热来加热水槽的水的机构，将备有燃料电池的系统的热用于水槽的加热，或者在水槽的热量过剩时，将该热量给予热水贮存槽，可以有效地灵活运用系统的全部热量，并且，可以很简单地实现对供应给燃料电池电极主体的电极的反应用气体的加湿。
此外，在本发明的固体高分子型热量电池中，由于回收燃料电池主体产生的水及将该水再次用于燃料电池的装置一面勘察所回收的水的水质一面进行适当的水处理供应给燃料电池，所以，可以把离子交换树脂等的水处理装置的使用限制在所需的最低限度。
此外，可以提供一种尽可能地再次利用燃料电池产生的水、简化燃料电池中的水处理，减少维修时间的固体高分子型燃料电池。
进而，在具有上述结构的固体高分子型燃料电池和配备有该电池的发电系统中，由于简化燃料电池的维修，所以，可以提供一种很容易采取进行发电和利用热量的共同发电系统的形式，不仅燃料电池的单独发电效率高，而且将有效再利用在该系统中使用的水及有效地灵活运用与所供给的燃料的能量相结合的固体高分子型燃料电池。
此外，在上面所有的实施形式中，对从水槽21来的处理水全部作为反应空气的加湿用水直接供应给改质器3及提供给燃料电池主体的空气极6k，并作为冷却水直接供应给冷却部6c的结构进行了说明，但也可以优选采用将处理水仅供应给燃料电池主体的一部分(例如燃料极或空气极)或者仅供应给改质器，或者，如图3、5的实施形式所示的向热交换器58供应冷却水那样，间接地进行处理水的供应的结构。
工业上的可利用性
如上所述，通过设置在用于固体高分子型燃料电池的处理水的水槽上装入液面控制装置等设备的加湿机构，对反应空气进行加湿，所以，本发明适用于不必额外配置将反应空气加湿用的专用加湿器的燃料电池及采用所述燃料电池的发电系统。并且，通过将蓄积用于燃料电池的处理水的水槽与燃料电池及备有燃料电池的整个发电系统有机地结合，有效地灵活运用燃料电池的热量，将水槽的水的温度保持在适合于加湿的温度，极大地减少加湿用能耗，提高燃料电池及其组合的整个发电系统的能量效率，并且可以很简便地向供应给燃料电池的电极的反应空气等气体内添加水分。
Claims (31)
1.一种固体高分子型燃料电池，它具有：利用改质气体中的氢与反应空气中的氧的电化学反应进行发电的燃料电池主体，将反应空气供应给该燃料电池主体的反应空气供应部，向前述燃料电池主体供应改质气体的改质气体供应部，以及将前述处理水供应给前述改质气体供应部和前述燃料电池主体中至少其中之一的处理水供应部，所述固体高分子型燃料电池的特征为，在前述处理水供应部用处理水把从前述反应空气供应部供应的反应空气加湿后，将加湿的反应空气供应给前述燃料电池主体。
2.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有使从前述处理水供应机构来的处理水在前述燃料电池主体内循环，对前述燃料电池主体进行冷却的冷却部。
3.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述处理水供应部配备有贮存水用的水箱，以及为了总是在该水箱的内部形成气相部分而将处理水的水位保持在规定的范围内的液面控制部，从前述反应空气供应部来的反应空气通过前述水箱的内部被加湿，供应给前述燃料电池主体。
4.如权利要求3所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述液面控制部由检测处理水的水位的水位计以及控制从处理水源向前述处理水箱内进行处理水的供应的电动阀构成。
5.如权利要求1所述固体高分子型燃料电池，其特征为，前述处理水供应部配备有贮存处理水的处理水箱，把该处理水箱内的处理水的温度保持在规定的范围内的温度调节机构，在从前述反应空气供应部来的反应空气通过前述水箱内部被加湿时，通过设定温度调节加湿的程度。
6.如权利要求5所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，利用前述温度调节机构所调节的处理水的规定温度范围的上限值根据前述燃料电池的工作温度变化。
7.如权利要求6所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，利用前述温度控制机构调节处理水的规定的温度范围为60℃至80℃。
8.如权利要求5所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述温度调节机构具有电加热器。
9.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有将从前述处理水供应部来的处理水变成水蒸汽、把该水蒸汽添加到供应给前述改质气体供应机构的原始燃料中的水蒸汽供应部，该水蒸汽供应部调节水的添加量，将所添加的水的量与原始燃料气体的量之比(S/C之比)调节到3至4。
10.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述改质气体供应部具有降低改质气体中的一氧化碳浓度的CO去除器，从该CO去除器出来的改质气体不除去水分，供应给前述燃料电池主体。
11.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有对自来水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水，将所生成的处理水供应给前述处理水供应部的水处理机构。
12.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有供应从前述燃料电池主体排出的高温气体、把由于改质气体中的氢与反应空气中的氧的电化学反应在前述燃料电池主体内产生的热量回收的废热回收部。
13.如权利要求12所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述废热回收部，由通过使水在内部循环、与从前述燃料电池主体排出的高温气体进行热交换的热交换器以及贮存从该热交换器来的热水的同时向前述热交换器供应水的热水贮存槽构成。
14.如权利要求13所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有设置在前述处理水供应部上，一面以从前述处理水供应部来的处理水及从前述热水贮存槽来的水不相混合的方式循环，一面在前述处理水与前述水之间进行热交换的热交换器。
15.如权利要求12所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述废热回收部由使从前述处理水供应部来的处理水在内部循环，在从前述燃料电池主体排出的高温气体与前述处理水之间进行热交换而进行热回收的热交换器构成。
16.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，在前述燃料电池主体上设置通过冷却冷媒在内部循环与前述燃料电池主体之间进行热交换而冷却前述燃料电池主体的冷却部，一面以从前述处理水供应机构来的处理水与前述冷却部来的前述冷却冷媒不相互混合的方式循环，一面进行前述处理水与前述冷却冷媒的热交换，将前述燃料电池主体产生的热回收到前述处理水供应部。
17.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有把在前述燃料电池主体产生的水回收的水回收部。
18.如权利要求17所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述水回收部由使从前述燃料电池主体排出的气体及在内部循环的水之间进行热交换，将水液化、回收的热交换器，以及临时贮存由该热交换器回收的水及自来水的水补充部构成。
19.如权利要求18所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述水补充部根据水位将贮存水供应给前述处理水供应部。
20.如权利要求19所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述水补充部设有检测水位的水位计，根据该水位计的检测结果控制向前述水补充部的自来水的供应及向前述处理水供应部的贮存水的供应。
21.如权利要求18所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有前述水补充部的前级或前述水补充部与前述处理水供应部之间对自来水进行规定处理生成具有低电导率的处理水，将生成的处理水供应给前述水补充部或前述处理水供应部的水处理部。
22.如权利要求17所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，在前述燃料电池主体上设置通过冷却冷媒在内部循环而与前述燃料电池主体之间进行热交换从而冷却前述燃料电池主体的冷却部，一面以从前述处理水供应机构来的处理水与前述冷却部来的前述冷却冷媒不相互混合的方式循环，一面进行前述处理水与前述冷却冷媒的热交换，将前述燃料电池主体产生的热回收到前述处理水供应部。
23.如权利要求18所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，在前述水补充部与前述处理水供应部之间设置：将前述水补充部的贮存水直接供应给前述处理水供应部的第一处理水供应通路，中间经由通过对前述水补充部的贮存水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水的水处理装置供应给前述处理水供应部的第二处理水供应部，检测前述水补充部的贮存水的水质的水质检测部，根据该水质检测部的检测结果选择前述第一处理水供应通路和前述第二处理水供应通路中的一个路径把处理水供应给前述水处理供应部的处理水路径切换部。
24.如权利要求23所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述水质检测部由水的电导率计或水质传感器构成。
25.如权利要求18所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，在前述水补充部与前述处理水供应部之间设置将前述水补充部的贮存水直接供应给前述处理水供应部的第一处理水供应通路，中间经由通过对前述水补充部的贮存水进行规定的处理生成具有低电导率的处理水的水处理装置供应给前述处理水供应部的第二处理水供应部，以及以规定的时间周期选择前述第一处理水供应通路和前述第二处理水供应通路中的一个路径将处理水供应给前述处理水供应部的处理水路径切换部。
26.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述水处理部进一步配备有利用从备有所述燃料电池的发电系统产生的热将前述处理水供应部供应的处理水加热的机构。
27.如权利要求26所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，前述机构备有通过利用从前述发电系统产生的热的热交换进行前述处理水供应部的处理水的温度调节的热交换器。
28.如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征为，它还具有设置在前述处理水供应部上、使该处理水供应部内的处理水循环的热交换器，通过在该热交换器内的热交换调节前述处理水供应部内的处理水的温度。
29.一种用于固体高分子型燃料电池的加湿方法，在用于具有通过使改质气体中的氢与反应空气中的氧进行电化学反应进行发电的燃料电池主体，将反应空气供应给前述燃料电池主体的反应空气供应部，把改质气体供应给前述燃料电池主体的改质气体供应部以及向所述改质气体供应部和前述燃料电池主体中至少其中之一供应处理水的处理水供应部的固体高分子燃料电池的加湿方法中，其特征为，使从前述反应空气供应部供应的反应空气通过前述处理水供应部内贮存的处理水进行加湿，然后将加湿的反应空气供应给前述燃料电池主体。
30.一种用于固体高分子型燃料电池的加湿方法，其特征为，利用所述燃料电池及备有所述燃料电池的发电系统的冷却水加湿在固体高分子型燃料电池的空气极中使用的反应空气，并将其供应给空气极。
31.一种用于固体高分子型燃料电池用的加湿方法，其特征为，利用在该燃料电池内循环的冷却水加湿在固体高分子型燃料电池中使用的反应空气，并将其供应给前述固体高分子型燃料电池的空气极。
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: YINENG NEW FUEL BATTERY TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO. Free format text: FORMER OWNER: SANYO ELECTRIC CO., LTD. Effective date: 20100426 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: OSAKA, JAPAN TO: TOKYO, JAPAN |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20100426 Address after: Tokyo, Japan, Japan Patentee after: Eneos Celltech Co. Ltd. Address before: Osaka Japan Patentee before: Sanyo Electric Co., Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JX NIPPON OIL + ENERGY CORPORATION Free format text: FORMER OWNER: YINENG NEW FUEL CELL TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. Effective date: 20130626 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130626 Address after: Tokyo, Japan, Japan Patentee after: JX Nippon Oil & Energy Corp. Address before: Tokyo, Japan, Japan Patentee before: Eneos Celltech Co. Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070418 Termination date: 20160323 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |