JPH05234603A - 支持膜型固体電解質燃料電池 - Google Patents
支持膜型固体電解質燃料電池Info
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- JPH05234603A JPH05234603A JP4072410A JP7241092A JPH05234603A JP H05234603 A JPH05234603 A JP H05234603A JP 4072410 A JP4072410 A JP 4072410A JP 7241092 A JP7241092 A JP 7241092A JP H05234603 A JPH05234603 A JP H05234603A
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- JP
- Japan
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- fuel cell
- solid electrolyte
- type solid
- plate
- separator
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
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- H—ELECTRICITY
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-
- H—ELECTRICITY
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
- H01M2300/0071—Oxides
- H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【目的】 緻密で導電性に優れ、化学的に安定で、機械
的強度の大きなセパレータを有する支持膜型固体電解質
燃料電池を提供すること。 【構成】 片面にガス流路５ａを有する多孔質燃料極１
の板の上に電解質の膜２を作製し、さらにその上に空気
極３をスラリーコートまたはスクリーン印刷法等により
塗布し焼成して成る単電池と、耐熱性金属板４ａと片面
にガス流路５ａを有する導電酸化物の緻密な板４ｂとを
接合したセパレータ４とを交互に積層した。
的強度の大きなセパレータを有する支持膜型固体電解質
燃料電池を提供すること。 【構成】 片面にガス流路５ａを有する多孔質燃料極１
の板の上に電解質の膜２を作製し、さらにその上に空気
極３をスラリーコートまたはスクリーン印刷法等により
塗布し焼成して成る単電池と、耐熱性金属板４ａと片面
にガス流路５ａを有する導電酸化物の緻密な板４ｂとを
接合したセパレータ４とを交互に積層した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、支持膜型固体電解質燃
料電池に関するものである。
料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】最近、酸素と水素をそれぞれ、酸化剤およ
び燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、環
境保護などの観点から注目されている。特に極板の上に
電解質の膜を形成した支持膜型固体電解質燃料電池は、
作動温度が８００〜１０００℃で高いことから、リン酸
型、溶融炭酸塩型の燃料電池に比べて原理的に発電効率
が高く、また高温の排熱が得られるためにこの排熱を利
用することにより総合効率はさらに高くなるので研究開
発が進んできている。支持膜型固体電解質燃料電池は固
体電解質層をはさむように燃料極と空気極を配置してな
る平板状単電池とセパレータとを交互に積層して複層の
積層セルとして構成したものである。セパレータは単電
池の燃料極と空気極にそれぞれ使用される燃料ガスと酸
化剤ガスを分離してそれらのクロスリークを防止する作
用と、単電池同士を電気的に直列に接続する作用をする
ものである。
び燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、環
境保護などの観点から注目されている。特に極板の上に
電解質の膜を形成した支持膜型固体電解質燃料電池は、
作動温度が８００〜１０００℃で高いことから、リン酸
型、溶融炭酸塩型の燃料電池に比べて原理的に発電効率
が高く、また高温の排熱が得られるためにこの排熱を利
用することにより総合効率はさらに高くなるので研究開
発が進んできている。支持膜型固体電解質燃料電池は固
体電解質層をはさむように燃料極と空気極を配置してな
る平板状単電池とセパレータとを交互に積層して複層の
積層セルとして構成したものである。セパレータは単電
池の燃料極と空気極にそれぞれ使用される燃料ガスと酸
化剤ガスを分離してそれらのクロスリークを防止する作
用と、単電池同士を電気的に直列に接続する作用をする
ものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、支持膜
型固体電解質燃料電池は高温で作動するため使用可能な
材料にかなりの制約があり、特に、高温度の酸化雰囲気
でも還元雰囲気でも化学的に安定で、緻密な構造を有
し、しかも高導電性と大なる機械的強度が求められるセ
パレータ材料については、いまだに実用レベルの材料が
見つかっているとは言い難い。
型固体電解質燃料電池は高温で作動するため使用可能な
材料にかなりの制約があり、特に、高温度の酸化雰囲気
でも還元雰囲気でも化学的に安定で、緻密な構造を有
し、しかも高導電性と大なる機械的強度が求められるセ
パレータ材料については、いまだに実用レベルの材料が
見つかっているとは言い難い。
【０００４】従来、セパレータ材料としてはペロブスカ
イト型の導電性酸化物であるＬａ（Ｍ）ＣｒＯ3 （Ｍ：
Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）が用いられているが、緻密に焼結す
ることが困難であり、またＨ2 Ｏ存在下で燃料極との接
触抵抗が大きく、かつ酸化物なので脆いなどの欠点があ
る。
イト型の導電性酸化物であるＬａ（Ｍ）ＣｒＯ3 （Ｍ：
Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）が用いられているが、緻密に焼結す
ることが困難であり、またＨ2 Ｏ存在下で燃料極との接
触抵抗が大きく、かつ酸化物なので脆いなどの欠点があ
る。
【０００５】また、耐熱性合金を用いて空気極側の表面
に導電性の酸化物をコーティングして複合セパレータと
する方法も提案されている（特開平１−１００８６６
号、特開平２−３７６６９号、特開平３−８２６４号）
が、耐熱性合金中に含まれるＣｒ、Ｍｎ等の金属は酸素
との親和性が非常に強く、導電性の緻密な酸化物を被覆
しても酸化物中を拡散してくる酸素イオンにより酸化物
被覆層との界面が酸化され、そこでの界面抵抗が増加し
て燃料電池の性能を低下させてしまう、金属と酸化物と
の熱膨張差のためにコーティング層の剥離が起こるなど
の問題があった。
に導電性の酸化物をコーティングして複合セパレータと
する方法も提案されている（特開平１−１００８６６
号、特開平２−３７６６９号、特開平３−８２６４号）
が、耐熱性合金中に含まれるＣｒ、Ｍｎ等の金属は酸素
との親和性が非常に強く、導電性の緻密な酸化物を被覆
しても酸化物中を拡散してくる酸素イオンにより酸化物
被覆層との界面が酸化され、そこでの界面抵抗が増加し
て燃料電池の性能を低下させてしまう、金属と酸化物と
の熱膨張差のためにコーティング層の剥離が起こるなど
の問題があった。
【０００６】本発明は上述の点にかんがみてなされたも
ので、上記問題点を除去し、緻密でかつ空気極側でも燃
料極側でも導電性に優れ、機械的強度が大きく、長期に
わたり科学的に安定なセパレータを有する支持膜型電解
質燃料電池を提供することを目的とする。
ので、上記問題点を除去し、緻密でかつ空気極側でも燃
料極側でも導電性に優れ、機械的強度が大きく、長期に
わたり科学的に安定なセパレータを有する支持膜型電解
質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、片面にガス流路を有する多孔質燃料極板上に
電解質の膜を作成し、さらにその上に空気極を塗布焼成
して成る単電池と、耐熱性金属平板と片面にガス流路を
有する導電性酸化物の緻密な板とを接合してなるセパレ
ータとを交互に積層したことを特徴とする。
本発明は、片面にガス流路を有する多孔質燃料極板上に
電解質の膜を作成し、さらにその上に空気極を塗布焼成
して成る単電池と、耐熱性金属平板と片面にガス流路を
有する導電性酸化物の緻密な板とを接合してなるセパレ
ータとを交互に積層したことを特徴とする。
【０００８】
【作用】本発明の支持膜型固体電解質燃料電池は上記構
成のセパレータを使用したので金属板は緻密であるから
ガスの漏洩の問題が生じない。また、ＮｉまたはＮｉ基
合金板は耐熱性が高いので高温度でも安定であり、また
酸素との親和性が低いために界面抵抗が小さくなる。ま
たＮｉまたはＮｉ基合金は水素の透過性が非常に高く、
酸化物層との界面での酸化を妨げる。セパレータの一部
に金属を使用したのでセパレータ全体の機械的強度が大
となる。
成のセパレータを使用したので金属板は緻密であるから
ガスの漏洩の問題が生じない。また、ＮｉまたはＮｉ基
合金板は耐熱性が高いので高温度でも安定であり、また
酸素との親和性が低いために界面抵抗が小さくなる。ま
たＮｉまたはＮｉ基合金は水素の透過性が非常に高く、
酸化物層との界面での酸化を妨げる。セパレータの一部
に金属を使用したのでセパレータ全体の機械的強度が大
となる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００１０】図１は本発明の支持膜型固体電解質燃料電
池の概略構成を示す断面図である。
池の概略構成を示す断面図である。
【００１１】本発明の支持膜型固体電解質燃料電池は固
体電解質膜２を挟むように燃料極１の板と空気極３を配
置して構成した端電池を、セパレータ４を介して積層し
たものである。
体電解質膜２を挟むように燃料極１の板と空気極３を配
置して構成した端電池を、セパレータ４を介して積層し
たものである。
【００１２】本発明の端電池を構成する燃料極１として
は、従来公知のものを使用できるが、高温還元雰囲気下
で安定であること、高い電子導電性を有すること、ガス
状の反応物および生成物の通過が容易であること、固体
電解質との熱膨張率差が小さいことなどが要求され、例
えばニッケル−ジルコニアサーメットの多孔質体を用い
ることが可能であり、具体的には粒径が２０ミクロン以
下の金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニア粉体を
重量比４：６から９．８：０．２の範囲で、有機径の結
合剤、溶剤、可塑剤、分散剤、消泡剤と共によく混合し
て粘稠なスラリーを得、これを射出成形した後、還元雰
囲気下で焼成し、燃料ガス流路５ａとして機能する溝を
有する、厚さ３mm程度の厚膜多孔質板として形成するこ
とができる。得られた多孔質燃料極板は、面精度を高め
るために両面を研磨する。ニッケル成分として、酸化ニ
ッケルを用い、電池の作動雰囲気下で還元する方法も考
えられるが、還元時の体積変化により電極板に亀裂が生
じる恐れがあるため、金属ニッケルを用いる方法が好ま
しい。
は、従来公知のものを使用できるが、高温還元雰囲気下
で安定であること、高い電子導電性を有すること、ガス
状の反応物および生成物の通過が容易であること、固体
電解質との熱膨張率差が小さいことなどが要求され、例
えばニッケル−ジルコニアサーメットの多孔質体を用い
ることが可能であり、具体的には粒径が２０ミクロン以
下の金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニア粉体を
重量比４：６から９．８：０．２の範囲で、有機径の結
合剤、溶剤、可塑剤、分散剤、消泡剤と共によく混合し
て粘稠なスラリーを得、これを射出成形した後、還元雰
囲気下で焼成し、燃料ガス流路５ａとして機能する溝を
有する、厚さ３mm程度の厚膜多孔質板として形成するこ
とができる。得られた多孔質燃料極板は、面精度を高め
るために両面を研磨する。ニッケル成分として、酸化ニ
ッケルを用い、電池の作動雰囲気下で還元する方法も考
えられるが、還元時の体積変化により電極板に亀裂が生
じる恐れがあるため、金属ニッケルを用いる方法が好ま
しい。
【００１３】本発明の燃料極１は厚膜であって、支持体
としての機能をも有するものである。また、燃料極１の
ガス流路５ａは通常溝として形成されるが、電極板の一
端面から対向する他端面に達する貫通孔として形成され
るものであってもよい。
としての機能をも有するものである。また、燃料極１の
ガス流路５ａは通常溝として形成されるが、電極板の一
端面から対向する他端面に達する貫通孔として形成され
るものであってもよい。
【００１４】本発明の単電池を構成する固体電解質膜２
としては、公知のものを適時選定して用いることが可能
であるが、両側に燃料および空気が流れるために、ガス
が透過しないよう緻密質として形成する必要があるとと
もに、電極材料に比して抵抗率がほぼ３桁大きく、内部
抵抗を大きくする要因となるために、薄膜として形成す
る必要がある。なお、固体電解質膜２は燃料極１の表面
のガス流路５ｂの存在しない面に形成されている。
としては、公知のものを適時選定して用いることが可能
であるが、両側に燃料および空気が流れるために、ガス
が透過しないよう緻密質として形成する必要があるとと
もに、電極材料に比して抵抗率がほぼ３桁大きく、内部
抵抗を大きくする要因となるために、薄膜として形成す
る必要がある。なお、固体電解質膜２は燃料極１の表面
のガス流路５ｂの存在しない面に形成されている。
【００１５】固体電解質膜２は、高いイオン導電率を必
要とし、例えばイットリアなどを添加して安定化ジルコ
ニアを用いることができる。
要とし、例えばイットリアなどを添加して安定化ジルコ
ニアを用いることができる。
【００１６】本発明の単電池を構成する空気極３は固体
電解質膜２の上に、燃料極と同じ原料をスラリーコート
またはスクリーン印刷法等により塗布し焼成して作製さ
れる。
電解質膜２の上に、燃料極と同じ原料をスラリーコート
またはスクリーン印刷法等により塗布し焼成して作製さ
れる。
【００１７】本発明の支持膜型固体電解質燃料電池を構
成するセパレータ４は図に示すように、ＮｉまたはＮｉ
基合金の平板のような耐熱性金属板４ａと、片面にガス
流路５ｂを有する緻密な導電性酸化物板４ｂを単に重ね
合わせたものである。導電性酸化物板４ｂのガス流路５
ｂの存在しない平らな面が耐熱性金属板４ａに接触す
る。セパレータは空気と燃料を仕切るために必要な構成
要素であって、１０００℃程度の高温の酸化および還元
雰囲気下で安定であること、および高い電子導電性を有
することが要求され、導電性酸化物板４ｂは例えばマグ
ネシウムなどを添加したランタンクロマイトなどを用い
て作る。
成するセパレータ４は図に示すように、ＮｉまたはＮｉ
基合金の平板のような耐熱性金属板４ａと、片面にガス
流路５ｂを有する緻密な導電性酸化物板４ｂを単に重ね
合わせたものである。導電性酸化物板４ｂのガス流路５
ｂの存在しない平らな面が耐熱性金属板４ａに接触す
る。セパレータは空気と燃料を仕切るために必要な構成
要素であって、１０００℃程度の高温の酸化および還元
雰囲気下で安定であること、および高い電子導電性を有
することが要求され、導電性酸化物板４ｂは例えばマグ
ネシウムなどを添加したランタンクロマイトなどを用い
て作る。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
支持膜型固体電解質燃料電池のセパレータを耐熱性の金
属の板と片面にガス流路を設けた導電性酸化物の板とを
ガス流路のない面どうしを重ねてセパレータとして構成
したので、次のような優れた効果が得られる。 （１） セパレータの一部に耐熱性の金属として純粋の
Ｎｉを用いると、Ｎｉと酸素の親和性の低さから、酸素
との親和性の高いＣｒやＭｎを含む耐熱性合金を用いた
場合に比較して、Ｎｉと、セパレータの一部となる酸化
物層との界面で酸化が進行しにくく、界面抵抗の非常に
小さなセパレータとなる。また、Ｎｉは水素の透過性が
非常に高く、酸化物層との界面での酸化を妨げるが、Ｃ
ｒやＭｎが数パーセント含まれても水素透過性は大きく
減少し、界面で酸化が進行してしまうため、純粋のＮｉ
を用いることはこのことからも非常に有利である。 （２） 従来の金属と酸化物の複合セパレータでは、酸
化物層の膜の形で金属上にコーティングしていたため、
金属と酸化物との熱膨張の差によって酸化物層が剥離し
てしまう問題があった。しかるに、本発明では分離した
金属の板と導電性酸化物の板とを重ねて用いるため、剥
離によって界面抵抗が増加する問題が一切生じない。 （３） 金属は十分緻密なものが得られるために、緻密
に焼結することが困難な酸化物を空気極側に用いた場合
でも、セパレータ全体の緻密さは十分保つことができ
る。したがって、ガスのクロスリークを防ぐセパレータ
の役目を果たすことができる。 （４） セパレータに導電性酸化物の材料のみを用いた
場合と比較して、セパレータの割れの心配がなく信頼性
が向上する。
支持膜型固体電解質燃料電池のセパレータを耐熱性の金
属の板と片面にガス流路を設けた導電性酸化物の板とを
ガス流路のない面どうしを重ねてセパレータとして構成
したので、次のような優れた効果が得られる。 （１） セパレータの一部に耐熱性の金属として純粋の
Ｎｉを用いると、Ｎｉと酸素の親和性の低さから、酸素
との親和性の高いＣｒやＭｎを含む耐熱性合金を用いた
場合に比較して、Ｎｉと、セパレータの一部となる酸化
物層との界面で酸化が進行しにくく、界面抵抗の非常に
小さなセパレータとなる。また、Ｎｉは水素の透過性が
非常に高く、酸化物層との界面での酸化を妨げるが、Ｃ
ｒやＭｎが数パーセント含まれても水素透過性は大きく
減少し、界面で酸化が進行してしまうため、純粋のＮｉ
を用いることはこのことからも非常に有利である。 （２） 従来の金属と酸化物の複合セパレータでは、酸
化物層の膜の形で金属上にコーティングしていたため、
金属と酸化物との熱膨張の差によって酸化物層が剥離し
てしまう問題があった。しかるに、本発明では分離した
金属の板と導電性酸化物の板とを重ねて用いるため、剥
離によって界面抵抗が増加する問題が一切生じない。 （３） 金属は十分緻密なものが得られるために、緻密
に焼結することが困難な酸化物を空気極側に用いた場合
でも、セパレータ全体の緻密さは十分保つことができ
る。したがって、ガスのクロスリークを防ぐセパレータ
の役目を果たすことができる。 （４） セパレータに導電性酸化物の材料のみを用いた
場合と比較して、セパレータの割れの心配がなく信頼性
が向上する。
【図１】本発明の支持膜型固体電解質燃料電池の分解斜
視図である。
視図である。
１ 燃料極 ２ 固体電解質膜 ３ 空気極 ４ セパレータ ４ａ 耐熱性金属板 ４ｂ 導電性酸化物板 ５ａ ガス流路 ５ｂ ガス流路
Claims (3)
- 【請求項１】 片面にガス流路を有する多孔質燃料極板
上に電解質の膜を形成し、さらにその上に空気極を塗布
焼成してなる単電池と、耐熱性金属平板と片面にガス流
路を有する導電性酸化物の緻密な板とを接合して成るセ
パレータとを交互に積層したことを特徴とする支持膜型
固体電解質燃料電池。 - 【請求項２】 上記耐熱性金属がＮｉであることを特徴
とする請求項１に記載の支持膜型固体電解質燃料電池。 - 【請求項３】 上記耐熱性金属がＮｉ基合金であること
を特徴とする請求項１に記載の支持膜型固体電解質燃料
電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4072410A JPH05234603A (ja) | 1992-02-21 | 1992-02-21 | 支持膜型固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4072410A JPH05234603A (ja) | 1992-02-21 | 1992-02-21 | 支持膜型固体電解質燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05234603A true JPH05234603A (ja) | 1993-09-10 |
Family
ID=13488489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4072410A Withdrawn JPH05234603A (ja) | 1992-02-21 | 1992-02-21 | 支持膜型固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05234603A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008077913A (ja) * | 2006-09-20 | 2008-04-03 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | 燃料電池用インターコネクタ及びセルスタック |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5759991Y2 (ja) * | 1974-07-19 | 1982-12-21 | ||
| JPS62299786A (ja) * | 1986-06-20 | 1987-12-26 | Yokogawa Electric Corp | 時間計測装置 |
-
1992
- 1992-02-21 JP JP4072410A patent/JPH05234603A/ja not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5759991Y2 (ja) * | 1974-07-19 | 1982-12-21 | ||
| JPS62299786A (ja) * | 1986-06-20 | 1987-12-26 | Yokogawa Electric Corp | 時間計測装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008077913A (ja) * | 2006-09-20 | 2008-04-03 | Sumitomo Precision Prod Co Ltd | 燃料電池用インターコネクタ及びセルスタック |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990518 |