JP3342243B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学的反応熱
で加熱されるセルスタック内の温度分布が、略均等にな
るよう冷却する冷却構造を具えた、平板型の固体電解質
型燃料電池に関する。
で加熱されるセルスタック内の温度分布が、略均等にな
るよう冷却する冷却構造を具えた、平板型の固体電解質
型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスや電子を透過しない、安定化ジルコ
ニアのような酸素イオン導電性のセラミックからなる平
板状の電解質膜の両側に、多孔質で電子導電性を持つ空
気極と燃料極を設けた反応層を、多段にわたり積層し、
空気極には、空気または酸素からなる酸化剤ガス、燃料
極には、水素または一酸化炭素からなる燃料ガスをそれ
ぞれ供給して、空気極でイオン化した酸素を電解質膜を
透過させて燃料ガスと電気化学的反応を行わせ、電気エ
ネルギーと水を発生させる固体電解質型燃料電池、若し
くは水と電気エネルギーを供給して、上述した反応と逆
の反応を行わせて水素と酸素を発生させる固体電解質型
高温水蒸気発生装置が開発されている。以下、固体電解
質型燃料電池としてその構造、作用を説明する。
ニアのような酸素イオン導電性のセラミックからなる平
板状の電解質膜の両側に、多孔質で電子導電性を持つ空
気極と燃料極を設けた反応層を、多段にわたり積層し、
空気極には、空気または酸素からなる酸化剤ガス、燃料
極には、水素または一酸化炭素からなる燃料ガスをそれ
ぞれ供給して、空気極でイオン化した酸素を電解質膜を
透過させて燃料ガスと電気化学的反応を行わせ、電気エ
ネルギーと水を発生させる固体電解質型燃料電池、若し
くは水と電気エネルギーを供給して、上述した反応と逆
の反応を行わせて水素と酸素を発生させる固体電解質型
高温水蒸気発生装置が開発されている。以下、固体電解
質型燃料電池としてその構造、作用を説明する。
【０００３】これらの固体電解質型燃料電池では、反応
層（以下、発電層という）で、電気化学的反応を起すと
き、１０００℃にも達する作動温度になり、発電を維持
するためには、冷却を必要とする。これらの冷却は、メ
タン等の燃料ガスを、発電層を複数段積層して形成され
たセルスタックに供給し、セルスタック内部にて、メタ
ンを水素、一酸化炭素等に内部改質する時に発生する吸
熱作用と、発電層の燃料極に供給された燃料ガスの全量
を再循環させることによる冷却等により十分な冷却作用
が得られ、しかも、電池本体内で発電層を積層したセル
スタックの段方向および面内での温度分布を発電効率の
良い許容温度差（１００℃〜１５０℃）に保持できるも
のと考えられ、このような考えのもとに、従来設計が進
められてきた。
層（以下、発電層という）で、電気化学的反応を起すと
き、１０００℃にも達する作動温度になり、発電を維持
するためには、冷却を必要とする。これらの冷却は、メ
タン等の燃料ガスを、発電層を複数段積層して形成され
たセルスタックに供給し、セルスタック内部にて、メタ
ンを水素、一酸化炭素等に内部改質する時に発生する吸
熱作用と、発電層の燃料極に供給された燃料ガスの全量
を再循環させることによる冷却等により十分な冷却作用
が得られ、しかも、電池本体内で発電層を積層したセル
スタックの段方向および面内での温度分布を発電効率の
良い許容温度差（１００℃〜１５０℃）に保持できるも
のと考えられ、このような考えのもとに、従来設計が進
められてきた。
【０００４】しかし、最近の実験結果と検討結果から、
上述した燃料ガスの内部改質による吸熱作用および燃料
ガスの全量再循環による冷却等では、冷却が不十分であ
り、さらに温度分布の許容温度差も、５０℃〜１００℃
と小さくする必要があることが明らかとなってきた。
上述した燃料ガスの内部改質による吸熱作用および燃料
ガスの全量再循環による冷却等では、冷却が不十分であ
り、さらに温度分布の許容温度差も、５０℃〜１００℃
と小さくする必要があることが明らかとなってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
現状に鑑み、従来と同様の燃料ガスの内部改質による吸
熱作用、および燃料排ガスによる冷却等で、十分な冷却
ができ、しかもセルスタック内の段方向、および面内で
の温度分布を、従来より温度差の小さい許容温度分布に
できる固体電解質型燃料電池を提供することを課題とす
る。
現状に鑑み、従来と同様の燃料ガスの内部改質による吸
熱作用、および燃料排ガスによる冷却等で、十分な冷却
ができ、しかもセルスタック内の段方向、および面内で
の温度分布を、従来より温度差の小さい許容温度分布に
できる固体電解質型燃料電池を提供することを課題とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため、本発明の固体
電解質型燃料電池は、次の手段とした。 （１）セルスタックに積層した反応層の複数段毎に冷却
板を挿入した。なお、冷却板は反応層の２〜２０段毎に
挿入することが好ましい。 （２）反応層の両面に設けられた空気極および燃料極
に、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを、同じ向きに
して流す、並行流で供給するようにした、酸化剤通路お
よび燃料通路を、それぞれセルスタック内に設けた。 （３）燃料極に供給され、未反応のまま燃料極を通過し
た燃料排ガスを導入して冷却する外壁通路を、セルスタ
ックの周囲を包囲して収容する外壁に設けた。なお、燃
料極を通過した燃料排ガスの一部は、燃料ガスと混合し
て再び燃料極へ供給するようにすることが好ましい。 （４）同じ向きに、酸化剤ガスおよび燃料ガスを流すた
め、セルスタック内に設けられた酸化剤通路および燃料
通路の向きと略直交する方向に、外壁通路を通過して冷
却された燃料排ガスを流して、セルスタックを冷却する
ための冷却板通路を、反応層の複数段毎に挿入された冷
却板に設けた。
電解質型燃料電池は、次の手段とした。 （１）セルスタックに積層した反応層の複数段毎に冷却
板を挿入した。なお、冷却板は反応層の２〜２０段毎に
挿入することが好ましい。 （２）反応層の両面に設けられた空気極および燃料極
に、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを、同じ向きに
して流す、並行流で供給するようにした、酸化剤通路お
よび燃料通路を、それぞれセルスタック内に設けた。 （３）燃料極に供給され、未反応のまま燃料極を通過し
た燃料排ガスを導入して冷却する外壁通路を、セルスタ
ックの周囲を包囲して収容する外壁に設けた。なお、燃
料極を通過した燃料排ガスの一部は、燃料ガスと混合し
て再び燃料極へ供給するようにすることが好ましい。 （４）同じ向きに、酸化剤ガスおよび燃料ガスを流すた
め、セルスタック内に設けられた酸化剤通路および燃料
通路の向きと略直交する方向に、外壁通路を通過して冷
却された燃料排ガスを流して、セルスタックを冷却する
ための冷却板通路を、反応層の複数段毎に挿入された冷
却板に設けた。
【０００７】固体電解質型燃料電池内の温度分布は、発
電層における発電に伴なう発熱を、燃料ガスの内部改質
時の吸熱作用、反応層に供給される酸化剤ガス、燃料ガ
スの温度上昇による冷却作用、および電池本体周辺への
放熱作用による冷却作用にて決定される。したがって、
一般的には、セルスタックに積層された反応層の段方向
では、高さ方向中央部が、また面方向では、面内中央部
が高くなる。このような、固体電解質型燃料電池の温度
分布の偏りを是正するため、冷却ガスとしてセルスタッ
クに流す再循環ガスは、再循環量が多い程、温度上昇は
小さいと考えられ、従来の冷却方法としては、内部改質
運転でも再循環ガスの全量を再循環させるようにしてい
た。
電層における発電に伴なう発熱を、燃料ガスの内部改質
時の吸熱作用、反応層に供給される酸化剤ガス、燃料ガ
スの温度上昇による冷却作用、および電池本体周辺への
放熱作用による冷却作用にて決定される。したがって、
一般的には、セルスタックに積層された反応層の段方向
では、高さ方向中央部が、また面方向では、面内中央部
が高くなる。このような、固体電解質型燃料電池の温度
分布の偏りを是正するため、冷却ガスとしてセルスタッ
クに流す再循環ガスは、再循環量が多い程、温度上昇は
小さいと考えられ、従来の冷却方法としては、内部改質
運転でも再循環ガスの全量を再循環させるようにしてい
た。
【０００８】しかし、最近の正しい計算では、内部改質
運転時の再循環ガスの量を増加すると、内部改質時の吸
熱作用にて生じていた燃料ガス温度の低下が小さくな
り、燃料ガス温度の平均的温度が上昇し、発電層の最高
温度が高くなるため、電池本体入口の燃料ガス、酸化剤
ガス温度にて決定される発電層の最低温度との差が、大
きくなることが明らかになってきた。したがって、再循
環ガスのうち、セルスタックに供給する量は、例えば炭
素の析出限界程度にまで極力少なくする必要がある。
運転時の再循環ガスの量を増加すると、内部改質時の吸
熱作用にて生じていた燃料ガス温度の低下が小さくな
り、燃料ガス温度の平均的温度が上昇し、発電層の最高
温度が高くなるため、電池本体入口の燃料ガス、酸化剤
ガス温度にて決定される発電層の最低温度との差が、大
きくなることが明らかになってきた。したがって、再循
環ガスのうち、セルスタックに供給する量は、例えば炭
素の析出限界程度にまで極力少なくする必要がある。
【０００９】本発明の固体電解質型燃料電池では、上述
の手段により、高さ方向の２〜２０段毎に設けられた冷
却専用の冷却板に、外壁から周辺への放熱作用により冷
却機能のある外壁の内部に設けた外壁通路を通過して冷
却された燃料排ガスの大部分を流すことにより、セルス
タック高さ方向の温度分布を５０℃〜１００℃の許容温
度差内に押えることができる。また、冷却板毎に高さ方
向の温度分布が分割されることになり、高さ方向の温度
差を小さくする事が可能となるとともに、セルスタック
に再循環させる再循環ガスの流量が低減することによ
り、内部改質時の吸熱作用で生じる燃料ガス温度の低下
を大きくでき、燃料ガス温度の平均的温度の上昇を小さ
くでき、発電層の最高温度と最低温度の差を小さくする
ことができる。
の手段により、高さ方向の２〜２０段毎に設けられた冷
却専用の冷却板に、外壁から周辺への放熱作用により冷
却機能のある外壁の内部に設けた外壁通路を通過して冷
却された燃料排ガスの大部分を流すことにより、セルス
タック高さ方向の温度分布を５０℃〜１００℃の許容温
度差内に押えることができる。また、冷却板毎に高さ方
向の温度分布が分割されることになり、高さ方向の温度
差を小さくする事が可能となるとともに、セルスタック
に再循環させる再循環ガスの流量が低減することによ
り、内部改質時の吸熱作用で生じる燃料ガス温度の低下
を大きくでき、燃料ガス温度の平均的温度の上昇を小さ
くでき、発電層の最高温度と最低温度の差を小さくする
ことができる。
【００１０】さらに、セルスタック内に設けた酸化剤通
路および燃料通路内で、同一方向に酸化剤ガスおよび燃
料ガスを流すようにしたので、セルスタックの面内にお
ける温度差を小さくすることができる。
路および燃料通路内で、同一方向に酸化剤ガスおよび燃
料ガスを流すようにしたので、セルスタックの面内にお
ける温度差を小さくすることができる。
【００１１】また、セルスタックを冷却するための冷却
板通路を、酸化剤通路および燃料通路と直交させて冷却
板に設けるようにしたことにより、セルスタックに設け
る冷却構造が構造的に製作可能になる。
板通路を、酸化剤通路および燃料通路と直交させて冷却
板に設けるようにしたことにより、セルスタックに設け
る冷却構造が構造的に製作可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の固体電解質型燃料
電池の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。図１
は本発明の実施の第１形態を示す斜視図、図２は図１に
示す、セルスタック、冷却板、および外壁にそれぞれ設
ける流路を示す図で、図２（Ａ）はセルスタックに設け
る燃料通路、図２（Ｂ）はセルスタックに設ける酸化剤
通路、図２（Ｃ）は冷却板および外壁にそれぞれ設ける
冷却板通路、および外壁通路を示す図である。
電池の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。図１
は本発明の実施の第１形態を示す斜視図、図２は図１に
示す、セルスタック、冷却板、および外壁にそれぞれ設
ける流路を示す図で、図２（Ａ）はセルスタックに設け
る燃料通路、図２（Ｂ）はセルスタックに設ける酸化剤
通路、図２（Ｃ）は冷却板および外壁にそれぞれ設ける
冷却板通路、および外壁通路を示す図である。
【００１３】図に示すように、本形態の固体電解質型燃
料電池１は、平板状の電解質膜の両側に燃料極と空気極
を設けた発電層３を多段に積層したセルスタック２、お
よび発電層３の２〜２０段毎に挿入された冷却板４から
なる電池本体５、電池本体５を包囲して、収容する外壁
６、およびこれらに燃料ガス７、酸化剤ガスとしての空
気８、燃料排ガス９、および再循環ガス１０のそれぞれ
を通過させる、後述する気体通路とからなる。
料電池１は、平板状の電解質膜の両側に燃料極と空気極
を設けた発電層３を多段に積層したセルスタック２、お
よび発電層３の２〜２０段毎に挿入された冷却板４から
なる電池本体５、電池本体５を包囲して、収容する外壁
６、およびこれらに燃料ガス７、酸化剤ガスとしての空
気８、燃料排ガス９、および再循環ガス１０のそれぞれ
を通過させる、後述する気体通路とからなる。
【００１４】電池本体５の入口から供給された空気８
は、各発電層３の上部に、図２（Ｂ）に示すように設け
られた酸化剤通路１３を矢印の向きに流れ、発電に必要
な酸素を空気極へ供給するとともに、発電にて生ずる熱
の除去を行ない、外壁６に設けた通路を通って外部へ排
出される。
は、各発電層３の上部に、図２（Ｂ）に示すように設け
られた酸化剤通路１３を矢印の向きに流れ、発電に必要
な酸素を空気極へ供給するとともに、発電にて生ずる熱
の除去を行ない、外壁６に設けた通路を通って外部へ排
出される。
【００１５】また、同様に電池本体５の入口から供給さ
れた燃料ガス７は、後述する再循環ガス１０の一部と混
合されて、各発電層の下部に、図２（Ａ）に示すように
設けられた燃料通路１２を矢印の向きに流れ、発電に必
要な水素、若しくは一酸化炭素を燃料極へ供給すると共
に、発電にて生じる熱の除去を行う。また、燃料通路１
２を出た燃料排ガス９は、再循環ブロワ１１の吸引力に
よって、外壁６に設けた外壁通路１５を通過して再循環
ガス１０となる。
れた燃料ガス７は、後述する再循環ガス１０の一部と混
合されて、各発電層の下部に、図２（Ａ）に示すように
設けられた燃料通路１２を矢印の向きに流れ、発電に必
要な水素、若しくは一酸化炭素を燃料極へ供給すると共
に、発電にて生じる熱の除去を行う。また、燃料通路１
２を出た燃料排ガス９は、再循環ブロワ１１の吸引力に
よって、外壁６に設けた外壁通路１５を通過して再循環
ガス１０となる。
【００１６】燃料排ガスは、外壁通路１５を通過する間
に、外壁６から周辺へ放出する放熱作用により冷却さ
れ、その一部は、外壁６に設けた通路を通り外部へ排出
されると共に、その大部分は、再循環ブロワ１１に吸引
される。再循環ブロワ１１に吸引されて再循環ガス１０
となる燃焼排ガスの一部分は、前述したように燃料ガス
７と混合されて、燃料通路１２に供給されるとともに、
大部分は、冷却板４に図２（Ｃ）に示すように、セルス
タック８に設けられた燃料通路１２、および酸化剤通路
１３と直交する方向に設けられた冷却板通路１４を矢印
の向きに流れ、セルスタック２を冷却し、外部へ排出さ
れる。
に、外壁６から周辺へ放出する放熱作用により冷却さ
れ、その一部は、外壁６に設けた通路を通り外部へ排出
されると共に、その大部分は、再循環ブロワ１１に吸引
される。再循環ブロワ１１に吸引されて再循環ガス１０
となる燃焼排ガスの一部分は、前述したように燃料ガス
７と混合されて、燃料通路１２に供給されるとともに、
大部分は、冷却板４に図２（Ｃ）に示すように、セルス
タック８に設けられた燃料通路１２、および酸化剤通路
１３と直交する方向に設けられた冷却板通路１４を矢印
の向きに流れ、セルスタック２を冷却し、外部へ排出さ
れる。
【００１７】本形態の固体電解質型燃料電池は、上述し
た構成により、外壁通路１５を通過して冷却された燃料
排ガスを、大量に冷却板通路１４に流すことにより、冷
却板４を複数段毎に挿入したセルスタック２は、効果的
に冷却され、セルスタック２の高さ方向の温度分布は温
度差の小さいものにできる。すなわち、セルスタック２
に挿入された各冷却板４に流れる燃料排ガスは、ほとん
ど同一の温度であり、高さ方向に配置された冷却板４で
隣接するセルスタック２を冷却するので、セルスタック
２の高さ方向の温度差を、許容される５０℃〜１００℃
程度の温度分布とすることが容易にできる。
た構成により、外壁通路１５を通過して冷却された燃料
排ガスを、大量に冷却板通路１４に流すことにより、冷
却板４を複数段毎に挿入したセルスタック２は、効果的
に冷却され、セルスタック２の高さ方向の温度分布は温
度差の小さいものにできる。すなわち、セルスタック２
に挿入された各冷却板４に流れる燃料排ガスは、ほとん
ど同一の温度であり、高さ方向に配置された冷却板４で
隣接するセルスタック２を冷却するので、セルスタック
２の高さ方向の温度差を、許容される５０℃〜１００℃
程度の温度分布とすることが容易にできる。
【００１８】また、再循環ガス１０を大量にセルスタッ
ク２内に流すことなく、セルスタック２を冷却できるの
で、セルスタック２に供給される再循環ガス１０の量を
少なくでき、これにより、内部改質時の吸熱作用によ
る、燃料ガス７温度低下が大きくなり、発電層３におけ
る、最高温度と最低温度の差を小さくすることができ、
これにより発電効率を上げることができるとともに、耐
久性上の問題を回避できる。
ク２内に流すことなく、セルスタック２を冷却できるの
で、セルスタック２に供給される再循環ガス１０の量を
少なくでき、これにより、内部改質時の吸熱作用によ
る、燃料ガス７温度低下が大きくなり、発電層３におけ
る、最高温度と最低温度の差を小さくすることができ、
これにより発電効率を上げることができるとともに、耐
久性上の問題を回避できる。
【００１９】また、セルスタック２に設ける燃料通路１
２、および酸化剤通路１３を同一方向に設け、同一方向
に燃料ガス７、および空気８を流すようにしたので、セ
ルスタック２の面内の温度分布を小さくすることができ
る。
２、および酸化剤通路１３を同一方向に設け、同一方向
に燃料ガス７、および空気８を流すようにしたので、セ
ルスタック２の面内の温度分布を小さくすることができ
る。
【００２０】また、この燃料通路１２、酸化剤通路１３
の配置により、これらと直交する冷却板通路１４の設置
が可能となり、冷却板４を介装してセルスタック２を冷
却するセルスタック２の冷却構造が、構造的に製作でき
るようになる。
の配置により、これらと直交する冷却板通路１４の設置
が可能となり、冷却板４を介装してセルスタック２を冷
却するセルスタック２の冷却構造が、構造的に製作でき
るようになる。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の固体電解質
型燃料電池によれば、特許請求の範囲の請求項１および
請求項２に示す構成により、 （１）セルスタックの高さ方向、および面内方向の温度
差を小さくした、温度分布にすることができる。これに
より、従来考えられていた許容温度差より、小さくする
必要のある許容温度差の温度分布を、セルスタックに形
成することができる。
型燃料電池によれば、特許請求の範囲の請求項１および
請求項２に示す構成により、 （１）セルスタックの高さ方向、および面内方向の温度
差を小さくした、温度分布にすることができる。これに
より、従来考えられていた許容温度差より、小さくする
必要のある許容温度差の温度分布を、セルスタックに形
成することができる。
【００２２】（２）発電層に発生する最高温度と最低温
度の差を小さくでき、発電効率を良好にできるととも
に、熱応力に起因する、セルスタックの耐久性を向上さ
せることができる。
度の差を小さくでき、発電効率を良好にできるととも
に、熱応力に起因する、セルスタックの耐久性を向上さ
せることができる。
【００２３】（３）また、燃料通路、酸化剤通路と冷却
板通路を直交させることにより、冷却板によるセルスタ
ックの冷却構造が可能になり、上記（１），（２）の効
果を達成できるようになった。
板通路を直交させることにより、冷却板によるセルスタ
ックの冷却構造が可能になり、上記（１），（２）の効
果を達成できるようになった。
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の実施の第１形
態を示す斜視図、
態を示す斜視図、
【図２】図１に示すセルスタック、冷却板、および外壁
に、それぞれ設ける気体流路を示す図で、図２（Ａ）は
セルスタックに設ける燃料通路、図２（Ｂ）はセルスタ
ックに設ける酸化剤通路、図２（Ｃ）は冷却板および外
壁にそれぞれ設ける冷却板通路および外壁通路を示す図
である。
に、それぞれ設ける気体流路を示す図で、図２（Ａ）は
セルスタックに設ける燃料通路、図２（Ｂ）はセルスタ
ックに設ける酸化剤通路、図２（Ｃ）は冷却板および外
壁にそれぞれ設ける冷却板通路および外壁通路を示す図
である。
１ 固体電解質型燃料電池 ２ セルスタック ３ 発電層 ４ 冷却板 ５ 電池本体 ６ 外壁 ７ 燃料ガス ８ 空気 ９ 燃料排ガス １０ 再循環ガス １１ 再循環ブロワ １２ 燃料通路 １３ 酸化剤通路 １４ 冷却板通路 １５ 外壁通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下雅意 猛 神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 - 8/24
Claims (2)
- 【請求項１】 平板の電解質膜の両側に、空気極と燃料
極を設けて、空気極には酸化剤ガスを、燃料極には燃料
ガスを、それぞれ供給して発電させる、電気化学的反応
を行う反応層を、複数段積層したセルスタックを具える
固体電解質型燃料電池において、前記反応層の複数段毎
に挿入された冷却板と、前記セルスタック内に設けら
れ、前記酸化剤ガスおよび燃料ガスを並行流で、前記空
気極および燃料極に、それぞれ供給する酸化剤通路およ
び燃料通路と、前記セルスタックを包囲して収容する外
壁に設けられ、前記燃料極を通過した燃料排ガスを導入
して冷却する外壁通路と、前記冷却板に前記燃料通路の
方向と略直交する方向に設けられ、外壁通路を通過して
冷却された燃料排ガスを導入して、前記セルスタックを
冷却する冷却板通路とを設けたことを特徴とする固体電
解質型燃料電池。 - 【請求項２】 前記外壁通路を通過して冷却された燃料
排ガスの一部を前記燃料ガスに混入するようにした請求
項１記載の固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17197095A JP3342243B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | 固体電解質型燃料電池 |
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| JP17197095A JP3342243B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | 固体電解質型燃料電池 |
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