JP4403689B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、生成水の排出を容易にして燃料電池を適切な状態で運転可能な燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から燃料電池内の生成水の排出を容易にして燃料電池を適切な状態で運転するよう提案されたものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
これは、燃料電池に供給される供給空気を吸引する吸引ポンプを燃料電池の下流に備える一方、供給空気の圧力を制御する負圧制御弁を燃料電池の上流に備え、負圧制御弁を燃料電池の目標発電量に応じて制御し、生成水が溢れて燃料電池のセル電圧が所定電圧未満に低下するときには供給空気の圧力を下げて生成水を排出するよう制御している。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−33110号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、発電により発生する生成水が流路の中途部に溜まり流路を閉塞する場合に、負圧制御弁を作動させて燃料電池スタックへの供給空気の圧力を下げて流路中の空気の流速を増大させて生成水の蒸発速度を速めるものであるため、閉塞された流路部分の生成水を排出するのみならず、適度な湿潤状態にあるその他の流路部分における水の蒸発も過度に進み電解質膜を乾燥させてしまう虞があった。
【0006】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池スタック全体の空気流路圧力を変更することなく生成水の排出を容易とする燃料電池システム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】
本発明は、燃料電池スタック内の酸化剤流路の途中にマニホールドを形成し、上流側の酸化剤流路の入口と前記マニホールドとの差圧が予め設定した所定値を超える場合に前記マニホールドと下流側の酸化剤流路との間の酸化剤流れを遮断する遮断手段を設け、遮断手段の作動に連動して圧力減少手段によりマニホールド内の圧力を減ずるようにした。
【0008】
【発明の効果】
したがって、本発明では、上流側の酸化剤流路の入口と前記マニホールドとの差圧が予め設定した所定値を超える場合に作動する遮断手段により下流側酸化剤流路と遮断された状態で圧力減少手段を作動させてマニホールド内の圧力を減ずるため、マニホールドより上流側の酸化剤流路の一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を強制的に吸引して排出することができ、スタック全体の流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【0010】
(第1実施形態)
図1〜図5は、本発明を適用した燃料電池システムの第1実施形態を示し、図1は燃料電池スタックの構造を示す斜視図であり、図2は燃料電池の構成を模式化した説明図であり、図3はセルの積層構造および開閉式隔壁の開状態および閉状態を示す平面図であり、図4は燃料電池システムのシステム構成図であり、図5はコントローラによる制御フローチャートである。
【0011】
先ず、図2により燃料電池の原理を説明する。燃料電池1は、電解質膜1Cを挟んでカソード極側(酸素極側)とアノード極側(水素極側)とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極1B及びアノード電極1Dを形成している。電解質膜1Cとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜1Cは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極1Bに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極1Dに含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒である。
【0012】
また、カソード電極1Bの外側にはカソード電極1Bに酸化剤ガスとしての供給空気Aを通流するカソード極側ガス通路1Aが設けられ、アノード電極1Dの外側にはアノード電極1Dに燃料ガスとしての供給水素Hを通流するアノード極側ガス通路1Eが設けられている。カソード極側ガス通路1Aの入口及び出口は空気供給装置2に接続され、アノード極側ガス通路1Eの入口及び出口は水素供給装置3に接続されている。
【0013】
なお、この図2における燃料電池1は、その構成を模式化して1枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池1は、単セルを200枚程度積層した積層体(スタック)として構成される。また、燃料電池1は、発電の際に電気化学的反応により発熱するため、燃料電池1を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【0014】
この燃料電池1は、カソード極側ガス通路1Aに供給空気Aが通流され、アノード極側ガス通路1Eに供給水素Hが供給されると、アノード電極1Dで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜1C中を移動してカソード電極1Bに到達する。そして、カソード電極1Bに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Aの酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水(生成水)及び未使用の酸素を含む供給空気Aは、排出空気AEとして燃料電池1のカソード極側の出口から排出される。また、アノード電極1Dでは水素がイオン化する際に電子e-が生成するが、この生成した電子e-は、モータなどの外部負荷Mを経由してカソード電極1Bに達する。
【0015】
次に、図2および図3により、燃料電池スタックの構造について説明する。
【0016】
燃料電池スタック4は、図1に示すように、上流側スタック4Aと下流側スタック4Bとに分離され、上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bの夫々一方(図中下方)に入口マニホールド5および出口マニホールド6を配置し、上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bの他方(図中上方)に中間マニホールド7を配置して備える。
【0017】
燃料電池スタック4の上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bは、前述のように、電解質膜1Cを挟んでカソード電極1Bとアノード電極1Dを備え、その外側にカソード極側ガス流路1A(以下、酸化剤流路という)またはアノード極側ガス流路1E(以下、燃料流路という)を備えたセパレータを配置した単セルを複数積層して構成している。図では、酸化剤流路1Aの開口端のみが示されている。酸化剤は入口マニホールド5から上流側スタック4Aの各セルの酸化剤流路1Aを経由して中間マニホールド7に至り、中間マニホールド7から下流側スタック4Bの各セルの酸化剤流路1Aを経由して出口マニホールド6に至るよう流れる。燃料流路の図示は省略しているが、夫々のスタック4A、4B内に積層方向に貫通させて図示しない入口マニホールドおよび出口マニホールドを配置し、入口マニホールドから各セルの燃料流路を経由させて出口マニホールドに導くように構成している。
【0018】
前記中間マニホールド7は、可動隔壁8によりガス流通を遮断した状態でスタック側室8Aと外部の減圧装置9に連通する減圧室8Bとの上下2室に区切っている。また、スタック側室8Aも下流側スタック4Bの酸化剤流路1Aの入口空間8Cを上流側スタック4Aの酸化剤通路1Aに連通するスタック側室8A(以下、出口空間8Aという)から開閉式隔壁10を介して独立させ、開閉式隔壁10が開く時に両者は連通するよう構成している。前記入口空間8Cは上流側スタック4Aと下流側スタック4Bとを仕切るよう中間マニホールド7の内壁間に起立した仕切り隔壁7B、中間マニホールド7の内壁、および、開閉式隔壁10により画成している。
【0019】
前記可動隔壁8は圧力減少手段を構成し、減圧装置9の作動により減圧室8Bが減圧される時に出口空間8A(スタック側室)の容積を増加させるよう作動する。可動隔壁8は上下2室間のガスの流通を遮断した状態で減圧室8Bの容積に応じて出口空間8Aの容積を変化させることができれば、ピストン式であってもダイアフラム式であってもよい。ピストン式で可動隔壁8を構成する場合には、例えば、シールを介して外周を中間マニホールド7の内壁に摺動可能とし、減圧室8Bの容積変化に応じて摺動するようにする。ダイアフラム式で可動隔壁8を構成する場合には、可動隔壁8の外周を中間マニホールド7の内壁に固定し、可動隔壁8自体を弾性体とし、減圧室8Bの容積変化に応じて変形するようにする。
【0020】
前記開閉式隔壁10は遮断手段を構成し、中間マニホールド7の内壁および仕切り隔壁7Bに固定された固定プレート11と固定プレート11に対して摺動可能な可動プレート12とから構成する。両プレート11、12には、図3に示すように、同じ大きさの矩形のスリット11A、12Aが等間隔に複数配置され、両プレート11、12のスリット11A、12Aが一致する、図3(B)の位置において、可動プレート12の位置において開放状態となり、可動プレート12が移動して固定プレート11のスリット11Aを塞ぐ、図3(C)の位置において、可動プレート12の位置において閉鎖状態となる。可動プレート12は、通常はスリット11A、12Aが一致する開放位置にあり、出口空間8Aに上流側スタック4Aから排出される未消費酸化剤を開閉式隔壁10のプレート11、12のスリット11A、12Aを介して入口空間8Cに流入させ、入口空間8Cから下流側スタック4Bに流入させる。また、スリット11A、12Aを閉じる閉鎖状態に可動プレート12を位置させると、中間マニホールド7の出口空間8Aと入口空間8Cとの連通を遮断する。
【0021】
前記下流側スタック4Bの入口空間8Cはバイパス通路として機能する連通管13を介して酸化剤の入口配管13Aに接続され、連通管13には開閉手段としての開閉弁14が配置され、開閉弁14を開放すると、入口配管13Aに供給された酸化剤が連通管13を経由して下流側スタック4Bの入口空間8Cに導入される。
【0022】
前記燃料電池スタック4は、図4のシステム構成図に示すように、燃料電池システムに組込まれる。即ち、燃料電池スタック4の中間マニホールド7の減圧室8Bは減圧装置9に接続され、中間マニホールド7の出口空間8Aおよび酸化剤の入口配管13Aには圧力センサ15A、15Bが夫々設置される。制御手段としてのコントローラ16は、前記圧力センサ15A、15Bの出力信号を受けて前記減圧装置9を制御する一方、開閉式隔壁10および開閉弁14をアクュエータ10A、14Aにより開閉制御する。前記減圧装置9は真空ポンプやエゼクタ等により減圧室8Bの減圧が行えればよく、停止時には開放して減圧装置9の前後でガスを連通可能とする図示しないバイパス手段を備える。
【0023】
以上の構成における燃料電池システムの作動を以下に説明する。
【0024】
通常においては、減圧装置9が作動を停止し、開閉式隔壁10が開き、開閉弁14が閉じた状態であり、供給配管13Aから導入された酸化剤は入口マニホールド5から上流側スタック4Aの各セルの酸化剤流路1Aを経由して中間マニホールド7の出口空間8Aに至る。そして、出口空間8Aから開閉式隔壁10を経由して下流側スタック4Bの入口空間8Cに至り、同スタック4Bの各セルの酸化剤流路1Aを経由して出口マニホールド6に至るよう流れる。上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bの各セルは、供給された酸化剤と図示しない燃料との電気化学反応により発電作動する。
【0025】
入口管路13Aと出口空間8Aの圧力は圧力センサ15A、15Bにより検出されコントローラ16に入力され、コントローラ16はその圧力差を監視する。圧力差が所定値以上となる場合には、上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aのいずれかの箇所が発電による生成水により閉塞されたと判断し減圧制御を開始する。減圧制御では、先ず、開閉弁14と開閉式隔壁10の各アクチュエータ14A、10Aを作動させ、開閉弁14を解放し、開閉式隔壁10を閉じる。開閉弁14の開放は開閉式隔壁10を介しての酸化剤の供給が無くなることから、連通管13を介して別系統から酸化剤を供給することにより下流側スタック4Aの作動を継続させるためのものである。そして、減圧装置9を作動させて減圧室8Bを減圧する。減圧室8Bは減圧されることで容積を減少させ、可動隔壁8を介して出口空間8Aの容積を増加させる。この容積の増加は上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aの空気を吸出すよう作用し、酸化剤流路1Aを閉塞している生成水とともに空気も吸出す。この生成水の吸出しにより上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aの流路抵抗が減少し、前記圧力差が設定値以下に低下する。この低下により、コントローラ16は減圧装置9を停止させ、開閉弁14を閉じ、開閉式隔壁10を開いて、初期状態に復帰させる。
【0026】
次に、図5の制御フローチャートを参照して、上記制御をより具体的に説明する。この制御フローチャートの処理は定時的に実行される。
【0027】
ステップ1で初期状態か否かが判断され、初期状態ではステップ2を経由してステップ3に進み、初期状態でない場合には直接ステップ3に進む。
【0028】
ステップ2では、減圧装置9を停止させ、開閉式隔壁10を開いて上流側スタック4Aの出口空間8Aと下流側スタック4Bの入口空間8Cとを連通させ、開閉弁14を閉じる。酸化剤は入口マニホールド5から上流側スタック4Aの酸化剤流路1A、出口空間8A、開閉式隔壁10を経て下流側スタック4Bの入口空間8Cに至り、下流側スタック4B内の酸化剤流路1Aを経由して出口マニホールド6から排出される。
【0029】
ステップ3では圧力センサ15A、15Bより入力されている入口配管13Aの圧力信号Pinと出口空間8Aの圧力信号Pr1が読込まれ、ステップ4では入口配管13Aの圧力信号Pinと出口空間8Aの圧力信号Pr1との差圧(Pin−Pr1)が所定値αを超えているか否かを判断し、超えている場合にはステップ5に進み、超えていない場合には処理を終了する。前記差圧(Pin−Pr1)は上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aの通路抵抗に相当し、生成水が溢れて酸化剤流路1Aが部分的にでも閉塞されると増加し、生成水が酸化剤流路1Aから排出されると低下する。前記所定値αは燃料電池スタック4の運転状態において生成水が酸化剤流路1Aを塞ぎ始める時点の差圧を実験的に求めて設定し、また、所定値αは変更可能である。
【0030】
ステップ5からステップ12は減圧制御の処理ステップである。減圧制御が開始されると、ステップ5で開閉弁14を開き、ステップ6で開閉式隔壁10を閉じ、ステップ7で減圧装置9を作動させる。開閉弁14が開かれることで下流側スタック4Bの入口空間8Cに酸化剤が供給され下流側スタック4Bの発電作動を継続させる。開閉式隔壁10が閉じられることで、中間マニホールド7の出口空間8Aは上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aのみに連通する空間であり、その容積は可動隔壁8を介して隣接する減圧室8Bの容積変化に応じて変化する。この状態で減圧装置9を作動させると、減圧室8Bが減圧され、可動隔壁8を介して出口空間8Aも減圧される。上流側スタック4Aの入口マニホールド5と出口空間8Aの間で圧力差による流れが生じ、入口マニホールド5から出口空間8Aの間の反応面での生成水を酸化剤に含ませて出口空間8Aまで移動させるよう作動する。
【0031】
ステップ8では、再び、圧力センサ15A、15Bより入力されている入口配管13Aの圧力信号Pinと出口空間8Aの圧力信号Pr1が読込まれ、ステップ9では入口配管13Aの圧力信号Pinと出口空間8Aの圧力信号Pr1との差圧(Pin−Pr1)が所定値β未満となっているか否かを判断し、所定値β未満となっていない場合にはステップ5へ進んでステップ5〜7の処理が実行され、所定値β未満となっている場合にはステップ10へ進む。ステップ9の判断はステップ5〜7の処理の実行によって酸化剤流路1A中の流れの障害となっていた生成水が除去されたか否かを判断しているものであり、酸化剤流路1Aの流れの障害となる生成水が未だ存在する場合には前記差圧は大きいが、流れの障害となる生成水が除去されるとスタック入口圧力Pinと出口圧力Pr1の差圧は酸化剤流路1Aの通路圧力損失程度になるよう減少していく。前記所定値βも、燃料電池スタック4の運転状態において酸化剤流路1Aの通路圧力損失程度の差圧を実験的に求めて設定し、また、所定値βは変更可能である。なお、所定値α>所定値βの関係がある。
【0032】
入口圧力Pinと出口圧力Pr1の差圧が所定の値βよりも小さくなったところで減圧操作の終了処理に移行する。ステップ10〜12は減圧操作の終了処理であり、減圧操作開始とは逆の手順となり、ステップ10で減圧装置9の作動を停止させ、ステップ11で開閉式隔壁10を開き、ステップ12で開閉弁14を閉じる。減圧装置9の運転を停止させると減圧装置9前後でガスが連通するため、減圧室8Bの圧力を開放させる。開閉式隔壁10が開かれると出口空間8Aと入口空間8Cとのガスの流通が可能となる。開閉弁14を閉じると入口配管13Aと入口空間8Cとの連通が遮断され、通常状態に復帰して処理が終了する。
【0033】
なお、上記実施形態において、入口配管13Aにポンプにより加圧した正圧の酸化剤を供給し、供給された酸化剤が上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bで圧力降下されながら出口マニホールド6に至るものについて説明したが、図示しないが、出口マニホールド6に吸引ポンプを接続する一方、入口配管を大気に開放して、上流側および下流側のスタック内の酸化剤流路が負圧となるものであってもよい。この場合には、中間マニホールドの上流側スタックでの生成水による酸化剤流路の閉塞が生ずると、中間マニホールドでの負圧が増加する一方、出口マニホールドと中間マニホールドとの差圧が減少し、大気圧である入口マニホールドと中間マニホールドの差圧が増加するため、同様にして、この差圧により酸化剤流路への生成水による閉塞を判定し、減圧室を減圧させて生成水の排出が可能である。
【0034】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【0035】
(ア)酸化剤流れの遮断手段としての開閉式隔壁10を閉じた状態で圧力減少手段としての減圧装置9を作動させてマニホールドとしての出口空間8A内の圧力を減ずることができるため、出口空間8Aより上流側の酸化剤流路1Aの一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を蒸発させて排除でき、スタック全体の酸化剤流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができる。
【0036】
(イ)圧力減少手段としての可動隔壁8および減圧装置9は、中間マニホールド7の容積を変化させて出口空間8A内の圧力を減ずるものであるため、上流側スタック4Aの酸化剤流路1A中の生成水を強制的に吸引して排出することができる。
【0037】
(ウ)上流側の酸化剤流路1Aと出口空間8Aおよび流れ遮断手段としての開閉式隔壁10をバイパスして下流側の酸化剤流路1Aへ酸化剤を流すバイパス通路13と、バイパス通路13の開閉手段としての開閉弁14とを備えるため、開閉式隔壁10により酸化剤流れを遮断していても、下流側の酸化剤流路1Aへの酸化剤流れを遮断しないことが可能となり、下流側スタック4Bの発電反応を確保しつつ、上流側の酸化剤流路1Aの減圧による生成水排出をより効果的に行える。
【0038】
(エ)スタック4の上流側酸化剤流路1Aの入口側酸化剤ガス圧力および出口側酸化剤ガス圧力を夫々検出する手段としての圧力センサ15A、15Bと、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、遮断手段としての開閉式隔壁10および圧力減少手段としての可動隔壁8および減圧装置9を作動させる制御手段としてのコントローラ16を備える。
【0039】
このため、上流側酸化剤流路1Aに生成水が溢れると各圧力センサ15A、15Bの検出信号から検出し、開閉式隔壁10および減圧装置9を作動させて自動的に生成水を排出でき、システムの動作を最適化できる。
【0040】
(オ)スタック4の上流側酸化剤流路1Aの入口側酸化剤ガス圧力および出口側酸化剤ガス圧力を夫々検出する手段としての圧力センサ15A、15Bと、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、バイパス通路13の開閉手段としての開閉弁14を開放する制御手段としてのコントローラ16を備える。
【0041】
このため、上流側酸化剤流路1Aに生成水が溢れると各圧力センサ15A、15Bの検出信号から検出し、コントローラ16は開閉弁14を開きバイパス通路13を経由して下流側酸化剤流路1Aに酸化剤を供給して、下流側スタック4Bの発電反応確保と上流側酸化剤流路1Aの減圧による生成水排出を自動的に行え、システムの動作を最適化できる。
【0042】
(カ)上流側酸化剤流路1Aは鉛直方向上向きに酸化剤を流し、下流側酸化剤流路1Aは鉛直方向下向きに酸化剤を流すとき、反応が活発であるため下流側酸化剤流路1Aに比較して上流側酸化剤流路1Aで生成水の発生量が多く、上流側の生成水は下流側に移動しにくいので上流側酸化剤流路1Aの下流側となる鉛直方向上方領域において生成水の生成量が多いことに起因して、上流側酸化剤流路の鉛直方向下方に溜まりやすい生成水の排出に好適である。
【0043】
(キ)マニホールドとしての出口空間8Aは、上流側酸化剤流路1Aの上部に位置して配置されているため、生成水の排出作動により固体高分子膜を乾燥気味とすることなく、鉛直方向下方に溜まりやすい生成水を排出することができる。
【0044】
(第2実施形態)
図6は、本発明を適用した燃料電池システムの第2実施形態を示し、図6はシステム構成図である。本実施形態においては、スタック前後の圧力差に応じてコントローラにより各動作の最適化を自在に図るものに代えて予め各動作の最適化を固定してコントローラの制御範囲を縮小したものである。なお、前実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【0045】
図6において、開閉式隔壁10および開閉弁14の開閉操作は、差圧シリンダ20により行われる。前記差圧シリンダ20は、シリンダ20Aにピストン20Bおよびピストンロッド20Cを摺動自在に備え、ピストン20Bとシリンダ20Aで構成される室の一方の室20Dに酸化剤の入口圧力を導入して開閉式隔壁10を閉じる方向に付勢し、他方の室20Eには出口空間8Aの圧力を導入して開閉式隔壁10を開ける方向に付勢する。他方の室20Eには、また、コイルスプリング等の弾性体20Fを配置し、弾性体20Fの反発力は開閉式隔壁10を開ける方向に付勢している。従って、ピストン20Bは、酸化剤の入口圧力と出口空間8A圧力との差圧に応じて位置が変化し、ピストンロッド20Cを介して連結している開閉式隔壁10および開閉弁21の開閉状態および開度を変化させる。即ち、差圧が小さい場合には開閉式隔壁10は全開状態とし、差圧が大きくなるに連れて開閉式隔壁10の開度を小さくし、差圧が所定値αを超えて大きい場合には開閉式隔壁10を全閉状態とする。差圧シリンダ20には、差圧が所定値α以上となるピストン20Bのスライド位置においてオン信号をコントローラ16に出力するオンスイッチ22Aと、差圧が所定値β以下となるピストン20Bのスライド位置においてオフ信号をコントローラ16に出力するオフスイッチ22Bとを備える。
【0046】
前記開閉弁21は、ピストンロッド20Cの中途部に配置され、ピストンロッド20Cとともに移動するスプール21Aとスプール21Aを収容するバルブガイド21Bからなり、ピストンロッド20Cが前記差圧シリンダ20の差圧の増加に伴って移動するときバルブガイド21Bに設けたポート21Cをスプール21Aが開口させ、更にスプール21Aが移動するに連れてポート21Cの開口面積を増加させてゆくよう構成している。前記ポート21Cは入口管路13Aに連通管13を介して連通し、バルブガイド21B内は入口空間8Cに連通している。
【0047】
図7(A)は、差圧シリンダ20のピストン20Bの変位位置と差圧との関係を示すものであり、ピストン20Bおよびピストンロッド20Cは差圧が大きくなるに連れて図中左側に移動し、差圧が小さくなるに連れて図中右側に移動する。変位に対する差圧変化の傾斜代は、弾性体20Eのバネ定数により変更可能である。図7(B)は、開閉式隔壁10によるスリットの開度を示すものであり、ピストンロッド20Cが差圧の減少で図中右移動するに連れて開度を増して最終的に全開状態となり、差圧の増加で図中左移動するに連れて開度を減少させ最終的には全閉状態となる。図7(C)は、開閉弁21の開度を示すものであり、ピストンロッド20Cが差圧の減少で図中右移動するに連れて開度を減少させて最終的には全閉状態となり、差圧の増加で図中左移動するに連れて開度を増加させ最終的には全開状態となる。なお、図7では、差圧が設定値βの時のピストンロッド20C位置において、開閉式隔壁10のスリット開度が全開、開閉弁21が全閉となり、差圧が設定値αの時のピストンロッド20C位置において、開閉式隔壁10のスリット開度が全閉、開閉弁21が全開となっているが、これらの開閉特性は必要に応じて変更や調整により更に精度を高めることができる。
【0048】
以上の構成の燃料電池システムにおいては、上流側および下流側のスタック4A、4Bの各セルは、供給された酸化剤と図示しない燃料との電気化学反応により発電作動する。発電作用により生成水が生じ、酸化剤流路中に溢れてくると差圧が徐々に上昇し、差圧シリンダ20のピストン20Bおよびピストンロッド20Cが図中左側に移動してゆく。それに連れて開閉式隔壁10のスリット開度が全開状態から開度が減少し、開閉弁21も全閉状態から徐々に開度が大きくなる。開閉式隔壁10のスリット開度の減少に連れて開閉弁21の開度が増加することにより、スリットを経由しての下流側スタック4Bへの酸化剤の供給の減少に連れて開閉弁21を経由しての酸化剤の供給が増加してゆく。これにより下流側スタック4Bの発電作用は何ら変わることなく継続される。
【0049】
上流側スタック4Aにおいて、差圧が設定値αを超える程度の生成水の酸化剤流路1Aへの溢れが発生すると、開閉式隔壁10のスリットは全閉状態となり下流側スタック4Bへの酸化剤の供給を遮断する一方、開閉弁21は全開状態となり下流側スタック4Bへの酸化剤の供給を肩代わりする。同時に、差圧シリンダ20はオンスイッチ22Aを作動させてコントローラ16に入力する。コントローラ16は減圧装置9を作動させて減圧室8Bを減圧する。減圧室8Bは減圧されることで容積を減少させ、可動隔壁8を介して出口空間8Aの容積を増加させる。この容積の増加は上流側スタック4Aの酸化剤流路1Aの空気を吸出すよう作用し、酸化剤流路1Aを閉塞している生成水とともに酸化剤も吸出す。この生成水の吸出しにより上流側スタック4Aのガス流路1Aの流路抵抗が減少し、前記圧力差が設定値以下に低下する。この低下により、差圧シリンダ20のピストン20Bおよびピストンロッド20Cは図中右動してオフスイッチ22Bを作動させ、コントローラ16は減圧装置9を停止させる一方、差動シリンダ20は開閉式隔壁10を全開、開閉弁21を全閉とし、初期状態に復帰する。
【0050】
なお、本実施形態においても、入口配管13Aにポンプにより加圧した正圧のガスを供給し、供給されたガスが上流側スタック4Aおよび下流側スタック4Bで圧力降下されながら出口マニホールド6に至るものとするか、出口マニホールド6に吸引ポンプを接続する一方、入口配管13Aを大気に開放して、上流側および下流側のスタック8A、8B内のガス流路を負圧とするものでも、いずれにも適用可能である。
【0051】
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(ウ)、(カ)、(キ)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【0052】
(ク)上流側酸化剤流路1Aの前後の圧力差に応じてストロークする差動シリンダ20により開閉式隔壁10のスリット開度および開閉弁21の開度を一義的に決定し、差動シリンダ20のストローク位置に応じて発生されるオン信号およびオフ信号に応じてコントローラ16は減圧装置9を作動させるのみでよく、コントローラの制御範囲を縮小できる。
【0053】
(第3実施形態)
図8は、本発明を適用した燃料電池システムの第3実施形態を示し、図8は燃料電池システムのシステム構成図である。本実施形態においては、減圧装置を備えた中間マニホールドを挟んで上流側スタックと下流側スタックとを備えた単体の燃料電池スタックを対象とするものに代えて複数の燃料電池スタックをガス流れ方向に直列に接続する燃料電池スタック群に適用したものである。なお、図1〜図7と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【0054】
図8において、複数の燃料電池スタック25、26がガス流れ方向に直列に接続され、生成水によりガス流路の閉塞が予想されるスタック25に対して、その上流側および下流側に圧力センサ15A、15Bを配置して生成水によるガス流路の閉塞状況を検出可能としている。また、対象とするスタック25の下流の圧力センサ15Bの後に減圧装置27および遮断弁10をこの順に配置する。そして、対象とするスタック25、圧力センサ15B、減圧装置27、遮断弁10をバイパスしてバイパス通路13を設け、このバイパス通路13に開閉弁14を配置する。開閉弁14は通常は閉じており、ガスは対象とするスタック25、減圧装置27、遮断弁10を経由して下流のスタック26に流されている。
【0055】
コントローラ16は、前記両圧力センサ15A、15Bよりの圧力信号によりスタック4A前後の差圧を演算し、差圧が設定値α(この設定値は第1、2実施形態における設定値αと同じ意味をもつが、値は相違する)を超える時、開閉弁14を開き、遮断弁10を閉じて、減圧装置27を作動させ、対象とするスタック25のガス流路を閉塞している生成水を下流に排出する。下流のスタック26はバイパス通路13を経由してガスが供給されるため、上記作動時においても、発電作用を継続する。上記作動により、ガス流路を閉塞していた生成水が排出されると、差圧が設定値β未満となり、減圧装置27を停止させ、遮断弁10を開放し、バイパス弁14を閉じ、通常状態に復帰させる。
【0056】
なお、上記実施形態では、上流のスタック25を対象とするスタックとして、圧力センサ15A、15B、減圧装置27、遮断弁10、バイパス通路13および開閉弁14を配置するものについて説明しているが、図示しないが、下流のスタック26を対象として、前記機器を配置してもよく、また、直列に配置されている全ての燃料電池スタックを対象として前記機器を配置してもよい。
【0057】
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)〜(キ)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【0058】
(ケ)スタック25、26を、連結部を介して直列に複数個連結し、この連結部内の圧力を減少する圧力減少手段しての減圧装置27を設け、減圧装置27とその下流側のスタック26との間にガス流れを遮断する手段10を設けたため、酸化剤流れの遮断手段10および圧力減少手段としての減圧手段27を作動させて連結部内の圧力を減ずることができ、連結部より上流側の酸化剤流路の一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を蒸発させて排除でき、スタック全体の流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができ、複数のスタックを備えた燃料電池システムにも適用できる。
【0059】
しかも、圧力減少手段としての減圧装置27を連結部の容積を変化させて連結部内の圧力を減ずるものであるため、上流側スタック25の酸化剤流路中の生成水を強制的に吸引して排出することができる。
【0060】
なお、上記各実施形態では、圧力減少手段として中間マニホールド7に可動隔壁8を設けて減圧室8Bを形成し、減圧室8Bを減圧装置9で減圧して出口空間8Aの容積を増大するものについて説明しているが、図示しないが、可動隔壁をアクチュエータ等で移動させるものであってもよく、また、出口空間に連通させた空間を持つ吸引シリンダ等をアクチュエータにより作動させるものであっても、出口空間の空気を直接吸出すものであってもよい。
【0061】
また、遮断手段として、上記実施形態では、開閉式隔壁10を用いるものについて説明しているが、図示しないが、上流側酸化剤流路の出口空間と下流側酸化剤流路の入口空間とを連通・遮断できればよく、例えば、通常の開閉弁を用いるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの燃料電池スタックの概略斜視図。
【図2】燃料電池の構成を模式化した説明図。
【図3】燃料電池スタックにおけるセルの積層構造(A)、開閉式隔壁の開状態(B)、および、閉状態(C)を示す平面図。
【図4】燃料電池システムのシステム構成図。
【図5】コントローラによる制御フローチャート。
【図6】本発明の第2実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図7】差圧シリンダの変位位置と差圧との関係を示すグラフ(A)、開閉式隔壁の開閉状態(B)、および、開閉弁の開閉状態(C)を示すグラフ。
【図8】本発明の第3実施形態の燃料電池システムのシステム構成図。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 空気供給装置
3 水素供給装置
4 燃料電池スタック
4A 上流側スタック
4B 下流側スタック
5 入口マニホールド
6 出口マニホールド
7 中間マニホールド
8 圧力減少装置としての可動隔壁
8A マニホールドとしての出口空間
8C 入口空間
9 圧力減少装置としての減圧装置
10 遮断手段としての開閉式隔壁
13 バイパス通路としての連通管
14、21 開閉手段としての開閉弁
15A、15B 圧力検出手段としての圧力センサ
16 制御手段としてのコントローラ
20 差圧シリンダ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can easily discharge generated water and operate the fuel cell in an appropriate state.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there has been proposed that the generated water in the fuel cell is easily discharged to operate the fuel cell in an appropriate state (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
This is provided with a suction pump for sucking supply air supplied to the fuel cell downstream of the fuel cell, and a negative pressure control valve for controlling the pressure of supply air upstream of the fuel cell. Control is performed according to the target power generation amount of the battery. When the generated water overflows and the cell voltage of the fuel cell falls below a predetermined voltage, the supply water is reduced to discharge the generated water.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-33110 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, when the generated water generated by power generation accumulates in the middle of the flow path and closes the flow path, the negative pressure control valve is activated to reduce the pressure of the supply air to the fuel cell stack. Since the flow rate of the generated water is increased by increasing the flow rate of air in the channel, not only the generated water in the blocked channel part is discharged but also in other channel parts in a moderately wet state. There is a risk that water will evaporate excessively and dry the electrolyte membrane.
[0006]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system that facilitates discharge of generated water without changing the air flow path pressure of the entire fuel cell stack.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is provided in the middle of the oxidant flow path in the fuel cell stack. A manifold is formed, and when the differential pressure between the inlet of the upstream oxidant flow path and the manifold exceeds a predetermined value set in advance, Oxidant flow to and from downstream oxidant flow path Shut off Blocking means Provided The pressure in the manifold is reduced by the pressure reducing means in conjunction with the operation of the blocking means.
[0008]
【The invention's effect】
Therefore, in the present invention, Operates when the differential pressure between the inlet of the upstream oxidant flow path and the manifold exceeds a predetermined value. Even if a part of the oxidant flow path upstream from the manifold is clogged with generated water, the pressure reducing means is operated while being cut off from the downstream oxidant flow path by the shut-off means to reduce the pressure in the manifold. , The generated water can be forcibly sucked and discharged Only the clogged portion can be recovered without changing the pressure of the flow path of the entire stack.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described based on each embodiment.
[0010]
(First embodiment)
1 to 5 show a first embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied, FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a fuel cell stack, and FIG. 2 is a schematic explanation of the structure of a fuel cell. FIG. 3 is a plan view showing the laminated structure of the cells and the open and closed states of the open / close partition, FIG. 4 is a system configuration diagram of the fuel cell system, and FIG. 5 is a control flowchart by the controller. .
[0011]
First, the principle of the fuel cell will be described with reference to FIG. The fuel cell 1 is divided into a cathode electrode side (oxygen electrode side) and an anode electrode side (hydrogen electrode side) with an
[0012]
Further, a cathode electrode
[0013]
The fuel cell 1 in FIG. 2 is schematically represented as a single cell, but the actual fuel cell 1 is a stack (stack) in which about 200 single cells are stacked. Composed. Further, since the fuel cell 1 generates heat by an electrochemical reaction during power generation, the fuel cell 1 has a cooling device (not shown) that cools the fuel cell 1.
[0014]
In this fuel cell 1, when supply air A flows through the cathode electrode
[0015]
Next, referring to FIGS. 2 and 3, the structure of the fuel cell stack will be described.
[0016]
As shown in FIG. 1, the
[0017]
As described above, the
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
The openable /
[0021]
An
[0022]
The
[0023]
The operation of the fuel cell system having the above configuration will be described below.
[0024]
Normally, the
[0025]
The pressures in the
[0026]
Next, the above control will be described more specifically with reference to the control flowchart of FIG. The process of this control flowchart is executed regularly.
[0027]
In step 1, it is determined whether or not it is in the initial state. In the initial state, the process proceeds to step 3 via
[0028]
In
[0029]
In
[0030]
[0031]
In
[0032]
When the differential pressure between the inlet pressure Pin and the outlet pressure Pr1 becomes smaller than a predetermined value β, the process proceeds to the end process of the pressure reducing operation.
[0033]
In the above embodiment, a positive pressure oxidant pressurized by a pump is supplied to the
[0034]
In the present embodiment, the following effects can be achieved.
[0035]
(A) The pressure in the
[0036]
(A) Since the
[0037]
(C) a
[0038]
(D)
[0039]
For this reason, when the generated water overflows in the upstream side
[0040]
(E)
[0041]
For this reason, when the generated water overflows in the upstream
[0042]
(F) When the upstream side
[0043]
(G) Since the
[0044]
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows a second embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied, and FIG. 6 is a system configuration diagram. In this embodiment, instead of the controller optimizing each operation according to the pressure difference before and after the stack, the optimization of each operation is fixed in advance and the control range of the controller is reduced. The same devices as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
[0045]
In FIG. 6, the opening / closing operation of the opening /
[0046]
The on-off
[0047]
FIG. 7A shows the relationship between the displacement position of the
[0048]
In the fuel cell system configured as described above, the cells of the upstream and
[0049]
In the
[0050]
In the present embodiment as well, a positive pressure gas pressurized by a pump is supplied to the
[0051]
In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (c), (f), and (g) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
[0052]
(H) The
[0053]
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a third embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied, and FIG. 8 is a system configuration diagram of the fuel cell system. In the present embodiment, a plurality of fuel cell stacks are arranged in the gas flow direction instead of a single fuel cell stack including an upstream stack and a downstream stack with an intermediate manifold including a pressure reducing device interposed therebetween. This is applied to a group of fuel cell stacks connected in series. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0054]
In FIG. 8, a plurality of fuel cell stacks 25 and 26 are connected in series in the gas flow direction, and the
[0055]
The
[0056]
In the above embodiment, the stacks for the
[0057]
In the present embodiment, in addition to the effects (a) to (ki) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
[0058]
(K) A plurality of
[0059]
In addition, since the
[0060]
In each of the above embodiments, as the pressure reducing means, the
[0061]
Moreover, although the said embodiment demonstrated what uses the opening-and-
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a fuel cell.
FIG. 3 is a plan view showing a stacked structure (A) of cells in a fuel cell stack, an open state (B) of an openable / closable partition, and a closed state (C).
FIG. 4 is a system configuration diagram of a fuel cell system.
FIG. 5 is a control flowchart by the controller.
FIG. 6 is a system configuration diagram of a fuel cell system showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph (A) showing the relationship between the displacement position of the differential pressure cylinder and the differential pressure, an open / close state of the open / close partition (B), and a graph showing the open / close state (C) of the open / close valve.
FIG. 8 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
2 Air supply device
3 Hydrogen supply equipment
4 Fuel cell stack
4A upstream stack
4B downstream stack
5 Inlet manifold
6 Outlet manifold
7 Intermediate manifold
8 Movable partition as pressure reducing device
8A Outlet space as a manifold
8C entrance space
9 Pressure reducing device as pressure reducing device
10 Opening and shutting partition walls as blocking means
13 Communication pipe as bypass passage
14, 21 Open / close valve as open / close means
15A, 15B Pressure sensor as pressure detection means
16 Controller as control means
20 Differential pressure cylinder
Claims (9)
前記スタック内の酸化剤流路の流路途中に形成したマニホールドと、
前記上流側の酸化剤流路入口と前記マニホールドとの間の差圧が予め設定した所定値を超える場合に前記マニホールドと下流側の酸化剤流路との間に設けた酸化剤流れを遮断する手段と、
前記遮断手段の作動に連動してマニホールド内の圧力を減ずる圧力減少手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。A unit battery cell is formed by sandwiching a membrane electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte membrane between a fuel side electrode and an oxidant side electrode between a fuel flow path forming member and an oxidant flow path forming member, and stacking unit battery cells A fuel cell system comprising a fuel cell stack formed as a
A manifold formed in the middle of the oxidant flow path in the stack;
When the differential pressure between the upstream oxidant flow path inlet and the manifold exceeds a predetermined value, the oxidant flow provided between the manifold and the downstream oxidant flow path is blocked. Means,
And a pressure reducing means for reducing the pressure in the manifold in conjunction with the operation of the shut-off means.
前記スタックを、連結部を介して直列に複数個連結し、
前記上流側のスタック入口と前記連結部との間の差圧が予め設定した所定値を超える場合に前記連結部とその下流側のスタックとの間にガス流れを遮断する手段を設け、
前記遮断手段の作動と連動して連結部内の圧力を減少する圧力減少手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。A unit battery cell is formed by sandwiching a membrane electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte membrane between a fuel side electrode and an oxidant side electrode between a fuel flow path forming member and an oxidant flow path forming member, and stacking unit battery cells A fuel cell system comprising a fuel cell stack formed as a
A plurality of the stacks are connected in series via a connecting part,
When a differential pressure between the upstream stack inlet and the connecting portion exceeds a predetermined value set in advance, a means for blocking gas flow between the connecting portion and the downstream stack is provided,
A fuel cell system comprising pressure reducing means for reducing the pressure in the connecting portion in conjunction with the operation of the blocking means.
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