JPH06103997A - 高温型燃料電池及び該電池用熱交換器 - Google Patents

高温型燃料電池及び該電池用熱交換器

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JPH06103997A
JPH06103997A JP4274869A JP27486992A JPH06103997A JP H06103997 A JPH06103997 A JP H06103997A JP 4274869 A JP4274869 A JP 4274869A JP 27486992 A JP27486992 A JP 27486992A JP H06103997 A JPH06103997 A JP H06103997A
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浩志 瀬戸
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敬朗 大森
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 多角柱状の多段集積セルからなる燃料電池本
体を有底、有蓋の円筒状マニホールド内に配設した燃料
電池において、低温の各発電用供給ガスと高温の各セル
排出ガスとが熱交換されるように、プレート型熱交換器
を電池本体とともにマニホールドに内接するように集合
収納する。また、該電池用熱交換器は、燃料ガス及び酸
化剤ガスの各供給及び排出用の各透孔を周縁部近傍に有
する熱伝導性プレートを少なくとも5個積層してなり、
かつ互いに隣接する該プレートの各一対の対向面におい
て、一方は少なくとも周縁部近傍以外は平坦で、かつ他
方が燃料ガス又は酸化剤ガスの供給又は排出用の流路を
有するものから成る。 【効果】 供給ガスを排出ガスで予熱、排出ガスを供給
ガスで冷却でき、セル全体の熱効率を高め、熱交換媒体
や配管を要さず、電池系とのスタック構造配置が可能で
コンパクト化でき、流体温度が下げられ、制御しやすく
なり、配管などの部材の熱衝撃や高温酸化による損傷や
破壊を抑制しうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、供給ガスと排出ガスと
をマニホールド内でプレート型熱交換器により熱交換し
うる燃料電池及び集積プレート型の燃料電池用熱交換器
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】集積多段セル構造などの燃料電池におい
て、燃料ガスや酸化剤ガス等の供給ガスは高温の電池作
動温度まで加熱する必要があり、そのコスト低減が要望
されている。その一方、電池系外へ排出される燃料ガス
や酸化剤ガス等の排出ガスは電池作動温度付近の高温の
ままであり、これをそのまま排出すると熱のロスが大き
く、またその熱回収を図るには別に配管系や熱交換器を
配設する必要があるなど装置が煩雑になり、さらに配管
等の金属部材の高温酸化などによる損傷を被るおそれが
あった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の燃料電池のもつ欠点を克服し、供給ガスの加熱コ
ストを低減するとともに、高温の排出ガスの熱回収を簡
単に効率よく行え、高温酸化などによる配管等の金属部
材の損傷を生じることがない燃料電池及び燃料電池用熱
交換器を提供することを目的としてなされたものであ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい特徴を有する燃料電池及び燃料電池用熱交換器を
開発するために種々研究を重ねた結果、供給ガスと排出
ガスとをマニホールド内でプレート型熱交換器により熱
交換することにより、その目的を達成しうることを見出
し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【0005】すなわち、本発明は、単電池及び集電体を
複数個積層した多角柱状の多段セルからなる燃料電池本
体を有底、有蓋の円筒状マニホールド容器内に配設した
燃料電池において、相対的に低温の各発電用供給ガスと
相対的に高温の各セル排出ガスとが熱交換されるよう
に、プレート型熱交換器を上記燃料電池本体とともに上
記マニホールドに内接するように集合収納したことを特
徴とする高温型燃料電池を提供するものである。
【0006】本発明に用いられる燃料電池本体について
は特に制限はないが、例えば固体電解質型や溶融炭酸塩
型のものなどが挙げられる。
【0007】本発明に用いられるプレート型熱交換器は
マニホールドにほぼ内接してマニホールド内に収納さ
れ、マニホールドと該熱交換器との間でガス漏れしない
ように封止される。
【0008】この熱交換器においては、水素や改質ガス
などの燃料ガス及び酸素や空気などの酸化剤ガスなどの
発電用供給ガスを電池作動温度に比べ低温例えば500
℃付近でプレート型熱交換器へその供給ガス入り口から
送り込み、電池本体からの排出ガスを電池作動温度付近
の高温例えば1000℃でプレート型熱交換器へその排
出ガス入り口から送り込むことにより、供給ガスと排出
ガスとを適当なプレート面を介して熱交換させるように
するのがよい。
【0009】次に本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの
各供給及び排出用の各透孔を周縁部近傍に有する熱伝導
性プレートを少なくとも5個積層してなり、かつ互いに
隣接する上記プレートの各一対の対向面において、一方
は少なくとも周縁部近傍以外は平坦で、かつ他方が燃料
ガス又は酸化剤ガスの供給又は排出用の流路を有するこ
とを特徴とする高温型燃料電池用熱交換器をも包含す
る。この少なくとも周縁部近傍以外は平坦な一方の対向
面は、通常平坦であるが、端板などにおいて後述するよ
うに周縁部近傍に溝を設けてもよい。
【0010】本発明の熱交換器は、通常、熱伝導性プレ
ートが、端板、及び片面のみに上記透孔に連通する流路
を有する熱交換プレート及び/又は両面に上記透孔に連
通する各流路を有する熱交換プレート、及び場合により
用いられる両面平坦な中間プレートから構成される。
【0011】上記端板としては、例えば両面平坦なプレ
ートや上記片面に流路をもつ熱交換プレートなどが用い
られ、この熱交換プレートの場合にはその片面を裏面側
としてすなわち内方にして用いられる。
【0012】マニホールド容器入口側の端板は、燃料ガ
ス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各管路と連通する
透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等分位置で開設し
たものが好ましい。
【0013】セル側の端板は、燃料ガス及び酸化剤ガス
の供給及び排出用の各マニホールド空間と連通する透孔
を円盤状プレートの周縁部近傍に等分位置で開設したも
のが好ましい。
【0014】これらの端板はその裏面側で周縁部近傍
に、好ましくは周縁に沿って、長円状などの溝を適当な
透孔に連通するように設けてもよい。この溝は、端板の
全透孔に対応して設けてもよいし、また端板の排出ガス
用透孔あるいは供給ガス用透孔のみに対応して設けても
よい。このようにすることにより、図5及び図6に示す
ように、熱交換用流路の設定が無理なく好都合にできる
とともに、端板の各ガスの入口及び出口を容易にほぼ等
分な位置関係とすることができる。
【0015】各ガス用熱交換プレートは、各ガス通過用
の透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に開設するととも
に、各ガスを各プレート面上で熱交換させるために流通
させる溝や凹部を片面あるいは両面に設けたものであ
る。
【0016】これら熱交換プレートとしては、各ガス通
過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設するとともに、
供給燃料ガス流通用にプレート片面に供給燃料ガス通過
用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた供給燃料ガス
用熱交換プレート、各ガス通過用の透孔をプレート周縁
部近傍に開設するとともに、供給酸化剤ガス流通用にプ
レート片面に供給酸化剤ガス通過用透孔に連通する溝あ
るいは凹部を設けた供給酸化剤ガス用熱交換プレート、
各ガス通過用の透孔をプレート周縁部近傍に開設すると
ともに、排出燃料ガス流通用にプレート片面に排出燃料
ガス通過用透孔に連通する溝あるいは凹部を設けた排出
燃料ガス用熱交換プレート、各ガス通過用の透孔をプレ
ート周縁部近傍に開設するとともに、排出酸化剤ガス流
通用にプレート片面に排出酸化剤ガス通過用透孔に連通
する溝あるいは凹部を設けた排出酸化剤ガス用熱交換プ
レートなどが挙げられる。
【0017】両面平坦な中間プレートは熱伝導等による
熱交換機能を有するとともにガス分離板として機能す
る。
【0018】本発明の熱交換器においては、熱交換プレ
ートの流路、例えば溝や凹部などをガスの接触面積が大
きくなるようにあるいはガス流路が長くなるように形成
するのが好ましい。
【0019】以下、本発明の熱交換器の各プレートを次
のとおりの略号で示す。片面のみに所定ガスの流路をも
つものを1、両面にそれぞれ異種の所定ガスの流路をも
つものを2、中間プレートを3、端板を4とするととも
に、これら1,2,4についてはそれら数字の後にその
流路の種類を該流路を流れるガスの種類により次のとお
りa、b、a′、b′として付す。すなわち、aは供給
燃料ガス用流路、bは排出燃料ガス用流路、a′は供給
酸化剤ガス用流路、b′は排出酸化剤ガス用流路を示
す。また、両面平坦であるかあるいは周縁部近傍にのみ
溝を有する端板は4zで示す。
【0020】本発明の熱交換器の例を図1〜図4に示
す。これらの図において、熱交換器を構成するプレート
はセル側端板から下方へ順に次のとおり集積されてい
る。すなわち、図1のものは、4z−1b′−1a′−
1a−4b、図2のものは、4b′−3−1a′−1a
−4b、図3のものは、4b′−3−2a′a−3−4
b、図4のものは、4z−2b′a′−3−2ab−4
zで表わされる。
【0021】その他の例を同様にして示すと、4z−1
a−1b−1a′−4b′、4z−1a−1b′−1
a′−4b、4z−1a′−1b−1a−4b′、4z
−1a′−1b′−1a−4b、4z−1b−1a−1
a′−4b′、4z−1b−1a′−1a−4b′、4
z−1b′−1a−1a′−4b、4z−1b′−1
a′−1a−4b、4a−1b−1a′−3−4b′、
4a−1b′−1a′−3−4b、4a′−1b−1a
−3−4b′、4a′−1b′−1a−3−4b、4b
−1a−1a′−3−4b′、4b−1a′−1a−3
−4b′、4b′−1a−1a′−3−4b、4b′−
1a′−1a−3−4b、4b−1a−3−1b′−4
a′、4b−1a′−3−1b′−4a、4b′−1a
−3−1b−4a′、4b′−1a′−3−1b−4
a、4a−1b−3−1a′−4b′、4a−1b′−
3−1a′−4b、4a′−1b−3−1a−4b′、
4a′−1b′−3−1a−4b、4b−3−2aa′
−3−4b′、4b−3−2a′a−3−4b′、4
b′−3−2aa′−3−4b、4b′−3−2a′a
−3−4b、4b−3−2ab′−3−4a′、4b−
3−2b′a−3−4a′、4a′−3−2ab′−3
−4b、4a′−3−2b′a−3−4b、4b′−3
−2a′b−3−4a、4b′−3−2ba′−3−4
a、4a−3−2a′b−3−4b′、4a−3−2b
a′−3−4b′、4b′−3−2ab−3−4a′、
4b′−3−2ba−3−4a′、4a′−3−2ab
−3−4b′、4a′−3−2ba−3−4b′、4a
−3−2bb′−3−4a′、4a−3−2b′b−3
−4a′、4a′−3−2bb′−3−4a、4a′−
3−2b′b−3−4a、4z−2ab−3−2a′
b′−4z、4z−2ab′−3−2a′b−4z、4
z−2a′b−3−2ab′−4z、4z−2a′b′
−3−2ab−4z、4z−2ab−3−2b′a′−
4z、4z−2ab′−3−2ba′−4z、4z−2
a′b−3−2b′a−4z、4z−2a′b′−3−
2ba−4z、4z−2ba−3−2a′b′−4z、
4z−2b′a−3−2a′b−4z、4z−2ba−
3−2b′a′−4z、4z−2b′a−3−2ba′
−4z、4z−2ba′−3−2ab′−4z、4z−
2b′a′−3−2ab−4z、4z−2ba′−3−
2b′a−4z、4z−2b′a′−3−2ba−4
z、などが挙げられる。
【0022】本発明の燃料電池に用いられるプレート型
熱交換器としては、上記した熱交換器を用いるのが好ま
しい。
【0023】このような燃料電池においては、熱交換器
は燃料電池本体側の端板の透孔を燃料ガス及び酸化剤ガ
スの供給及び排出用の各マニホールド空間と連通させる
ように配設される。
【0024】本発明の熱交換器は高温型燃料電池例えば
固体電解質型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池に適用す
るのが好ましい。
【0025】以下、固体電解質型燃料電池に適用する場
合について説明する。固体電解質型燃料電池本体は、両
面にそれぞれカソード及びアノードを形成した固体電解
質板をガス通路と電気的接続体を兼ねる集電体とを集積
して形成される。
【0026】集電体のガス通路は燃料ガスや酸化剤ガス
を供給しうるものであれば特に制限されず、形状や配置
等も適宜選定しうるが、互いに直角方向に配置するのが
簡単である。
【0027】上記集積に際しては、固体電解質板の両面
に配設された電極すなわちカソード、アノードと集電体
との間でガス漏れしないように封止する。このために
は、軟化点が約800℃のガラスペーストで封止すれば
よい。このガラスペーストは電池の作動温度(900〜
1000℃)で適度に軟化しガスを封止する。
【0028】図7に多段集積型の電池本体の集合様式を
展開して示す。これはカソード32及びアノード33を
形成した固体電解質板31と、燃料ガス通路用の溝と酸
化剤ガス通路用の溝がほぼ直交する集電体34とを交互
に集積したものである。
【0029】この電池本体と本発明の熱交換器をマニホ
ールドに集積収納するに際しては、燃料電池本体側の端
板の透孔が燃料電池の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及
び排出用の各マニホールド空間と連通するように配設さ
れる。
【0030】
【実施例】図5あるいは図6の集合様式に従い、熱交換
器単位を作成した。4種類のガスをそれぞれ適当なプレ
ート面に流して熱交換するプレート型熱交換器であっ
て、円筒型マニホールドの内周面にほぼ密着する円筒状
に以下に示すような所定の円盤状プレートを集積するこ
とにより形成される。
【0031】これらの図において、15、25はマニホ
ールド容器入口側の端板であって、燃料ガス及び酸化剤
ガスの供給及び排出用の各管路と連通する透孔を円盤状
プレートの周縁部近傍に等間隔に開設するとともに、上
面側に該透孔に一方の端縁側で連通する例えば長円状な
どの溝を図示のとおり設けたものである。すなわち、こ
の溝は15では各透孔に対応してすべて設けられ、25
では排出ガス用透孔のみに対応して設けられている。
【0032】16、26はセル側の端板であって、燃料
ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホールド
空間と連通する透孔を円盤状プレートの周縁部近傍に等
間隔に開設するとともに、下面側に該透孔に一方の端縁
側で連通する例えば長円状などの溝を図示のとおり設け
たものである。すなわち、この溝は16では各透孔に対
応してすべて設けられ、26では供給ガス用透孔のみに
対応して設けられている。
【0033】11、12、21、22は各供給ガス用熱
交換プレートすなわち11、21は供給燃料ガス用、1
2、22は供給酸化剤ガス用のものであって、各ガス通
過用の透孔を図示のとおり円盤状プレートの周縁部近傍
に開設するとともに、各供給ガスを各プレート面上を熱
交換させるために流通させる溝や凹部を設けたものであ
る。
【0034】13、14、23、24は各排出ガス用熱
交換プレートすなわち13、23は排出燃料ガス用、1
4、24は排出酸化剤ガス用のものであって、各ガス通
過用の透孔を図示のとおり円盤状プレートの周縁部近傍
に開設するとともに、各排出ガスを各プレート面上を熱
交換させるために流通させる溝や凹部を設けたものであ
る。この溝や凹部はガスの接触面積が大きくなるように
あるいはガス流路が長くなるように形成するのが好まし
く、例えば溝や凹部の占める面積を大きくしたり、千鳥
状、蛇行状あるいはジグザグ状に溝あるいは凹部に突
起、邪魔板、フィンなどを配設するのがよい。
【0035】15と16、13と14、11と12、2
5と26、23と24及び21と22はそれぞれ同一構
造のものが部材点数が少なくてすむので好ましい。
【0036】図5及び図6において、16及び26はそ
れぞれ15及び25を反転させたものを90度回転させ
たものであるし、12及び22はそれぞれ11及び21
を90度回転させたものであるし、14及び24はそれ
ぞれ13及び23を90度回転させたものである。ま
た、図示の矢印は実線が燃料ガス系統を、点線が酸化剤
ガス系統をそれぞれ示す。
【0037】図7の集合様式に従い、150mm角40
段スタツクセルを作製した。固体電解質板31にはイッ
トリアを3モル%添加したジルコニアである部分安定化
ジルコニアからなる150×150×0.2mmの板状
物を用いた。そして、酸素通路側にLa0.9Sr
0.1MnO粉末(平均粒径約5μm)を有機系バイ
ンダーに分散し、厚さ0.1〜0.5mmに塗布してカ
ソード32とし、水素通路側にNi/ZrO(重量比
9/1)を有機系バインダーに分散し、厚さ0.1〜
0.5mmに塗布してアノード33とした。集電体34
はNi系合金からなる150×150×5mmの平板に
ガス流路として深さ1.0mmの溝を設けたものを用い
た。
【0038】このように各電極を一体形成した固体電解
質板31と集電体34を図7のように集積し、固体電解
質板31と集電体34の間に軟化点が約800℃のガラ
スペーストを塗布してガス封止用とした。このガラスペ
ーストは電池の作動温度で軟化してガスを封止する。
【0039】一方、図8に示すように、マニホールド4
2内に熱交換器単位2組からなる熱交換器43を設置し
た。熱交換器のプレート間のガス封止もセルと同様に適
当なガラスにより行った。また、熱交換器とマニホール
ドの間のガス封止も同様に行った。
【0040】このマニホールド42内の熱交換器43上
に上記のようにして得られた電池本体41を取り付け
た。電池本体41とマニホールド42との接触部分はガ
ラスペーストを塗布してガス封止した。こうして集積し
た電池にガス配管を接続した。電気の取り出し部には耐
熱合金製の棒状体を螺着し、電気的に接続した。
【0041】このようにして作製した燃料電池を加熱し
た。室温から150℃までは1℃/minで昇温し、ガ
ラスペーストの溶媒を蒸発させた。150℃から300
℃までは5℃/minで昇温した。300℃以上では水
素通路側にアノードの酸化を防止するため、窒素ガスを
流し、5℃/minで1000℃まで昇温した。その
後、1000℃に保持してアノード側に水素、カソード
側に酸素を流し、発電を開始した。セルの開放電圧は4
8.5Vで、水素のリーク量は0.1%以下で、セル
内、熱交換器内ともにカス封止は良好であった。
【0042】また、熱電対によりそれぞれのガスの熱交
換器入口温度、熱交換器出口温度を測定した結果を表1
に示す。
【0043】
【表1】
【0044】各排出ガスの熱交換器出口温度は700℃
未満まで冷却されているので、マニホールド42に接続
されている耐熱金属配管44の高温酸化による損傷は、
1000℃以上の排ガスが排出される通常のスタックセ
ルの場合よりも少なかった。また、燃料ガス、酸化剤ガ
スの入口温度を500℃程度と低く抑えることが可能に
なるため、供給ガスの流体制御が容易に行え、予熱ヒー
ターの熱衝撃を少なくすることができる。
【0045】
【発明の効果】本発明の燃料電池用熱交換器は、種々の
系統のガスを相互に簡単かつ効率的に熱交換することが
できる。すなわち、各供給ガスを各排出ガスとプレート
を介して熱交換することにより、相対的に低温の供給ガ
スは相対的に高温の排出ガスで予熱されるとともに、排
出ガスは供給ガスで冷却され、セル全体の熱効率を高め
ることができる。
【0046】また、他の熱交換媒体や配管を要すること
なく、電池系とのスタック構造の配置が可能で、全体も
コンパクト化することができる上に、熱交換器の入口、
出口の流体温度を下げることができ、流体制御が容易に
なるとともに、熱交換器の封止もセルと同様に行われ
る。さらに、マニホールドに接続される耐熱金属配管な
どの各種部材の熱衝撃や高温酸化などによる損傷や破壊
を抑制しうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 熱交換器の集合様式の1例の斜視説明図。
【図2】 熱交換器の集合様式の他の例の斜視説明図。
【図3】 熱交換器の集合様式の別の例の斜視説明図。
【図4】 熱交換器の集合様式の更に別の例の斜視説明
図。
【図5】 熱交換器単位の集合様式の1例の斜視説明
図。
【図6】 熱交換器単位の集合様式の別の例の斜視説明
図。
【図7】 固体電解質型燃料電池本体の集合様式の1例
の斜視説明図。
【図8】 本発明の燃料電池の1例の説明図。
【符号の説明】
1a 片面に供給燃料ガス用流路をもつ熱交換プレート 1a′ 片面に供給酸化剤ガス用流路をもつ熱交換プレ
ート 1b′ 片面に排出酸化剤ガス用流路をもつ熱交換プレ
ート 2a′a 両面にそれぞれ供給酸化剤ガス用流路及び供
給燃料ガス用流路をもつ熱交換プレート 2ab 両面にそれぞれ供給燃料ガス用流路及び排出燃
料ガス用流路をもつ熱交換プレート 3 中間プレート 4b 片面に排出燃料ガス用流路をもつ端板 4b′ 片面に排出酸化剤ガス用流路をもつ端板 4z 端板 11、21 供給燃料ガス用熱交換プレート 12、22 供給酸化剤ガス用熱交換プレート 13、23 排出燃料ガス用熱交換プレート 14、24 排出酸化剤ガス用熱交換プレート 15、16、25、26 端板 31 固体電解質板 32 カソード 33 アノード 34 集電体 41 電池本体 42 マニホールド 43 熱交換器 44 耐熱金属配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 敬朗 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 吉田 利彦 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単電池及び集電体を複数個積層した多角
    柱状の多段セルからなる燃料電池本体を有底、有蓋の円
    筒状マニホールド容器内に配設した燃料電池において、
    相対的に低温の各発電用供給ガスと相対的に高温の各セ
    ル排出ガスとが熱交換されるように、プレート型熱交換
    器を上記燃料電池本体とともに上記マニホールドに内接
    するように集合収納したことを特徴とする高温型燃料電
    池。
  2. 【請求項2】 燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給及び排
    出用の各透孔を周縁部近傍に有する熱伝導性プレートを
    少なくとも5個積層してなり、かつ互いに隣接する上記
    プレートの各一対の対向面において、一方は少なくとも
    周縁部近傍以外は平坦で、かつ他方が燃料ガス又は酸化
    剤ガスの供給又は排出用の流路を有することを特徴とす
    る高温型燃料電池用熱交換器。
  3. 【請求項3】 熱伝導性プレートが、端板、及び片面の
    みに上記透孔に連通する流路を有する熱交換プレート及
    び/又は両面に上記透孔に連通する各流路を有する熱交
    換プレート、及び場合により用いられる両面平坦な中間
    プレートからなる請求項2記載の熱交換器。
  4. 【請求項4】 燃料電池本体側の端板の透孔が燃料電池
    の燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出用の各マニホ
    ールド空間と連通している請求項1記載の燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997031399A1 (de) * 1996-02-23 1997-08-28 Aeg Energietechnik Gmbh Anlage zur erzeugung elektrischer energie mit festoxidbrennstoffzellen
EP0889537A1 (de) * 1997-07-03 1999-01-07 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage
JP2014154210A (ja) * 2013-02-04 2014-08-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池モジュール、及びその製造方法

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